JP2010268188A - フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンにおいて、マイクやマイクアンプ、ヘッドホンアンプ等のハード的な特性に起因する変動要因により、フィードバックループの伝達関数に製品ばらつきがあるために、製品によってノイズ低減量が異なるという問題がある。また、上記のハード的な特性は経時変化による劣化も生じる。さらに、この手法には受聴者が使用のたびにテスト信号を聴取しなければならないという煩わしさが生じる。
【解決手段】本発明は、フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンにおいて、使用のたびにテスト信号を発生させ、開ループの応答を算出することで、フィードバック制御における適切な伝達関数を調整し、製品ばらつきに対応する。また、テスト信号に可聴帯域外の周波数を用いることによって、受聴者が使用のたびにテスト信号を聴取するという煩わしさを解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンに関するものである。

近年、周囲のノイズをキャンセルして音楽などを聴取することができるノイズキャンセリングヘッドホンが各社より製品化されている。これらのノイズキャンセリングヘッドホンは、周囲のノイズをマイクから入力して逆位相で打ち消し、低ノイズ化を実現するようになっている。ノイズを逆位相で打ち消す方法の１つとして、閉ループによるもの（例えば特許文献１）がある。
図５は、フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン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５を参照してフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン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。
ノイズキャンセリング制御では、ノイズ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、電気的に制御してノイズと逆相の信号を音源から発生することによりノイズ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５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５において、３１はフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路部である。２６はフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの音声再生部（以下ヘッドホンという）を示す。また、３２は音楽などの音声信号を出力する音声入力手段である。制御回路部３１とヘッドホン２６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、ヘッドホン２６はヘッドホン型の他にイヤホン型のものもある。
音声入力手段３２から入力された音声信号は、制御回路部３１で音声信号処理されてヘッドホン２６に出力され音声Ｓとして再生される。
制御回路部３１は、音声信号増幅手段２７、マイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９、加算手段３０などで構成されている。音声再生部２６は、スピーカ２４、マイク２３、ヘッドホンハウジング２５などで構成されている。なお、音声信号増幅手段２７はＥＱなどのオーディオ信号処理も含む。また、２２は聴取者の耳を簡略化して描いたものである。
音声入力手段３２の出力部は音声信号増幅手段２７の入力部に接続されている。また、音声信号増幅手段２７の出力はスピーカ２４の入力部に接続される。スピーカ２４とマイク２３はヘッドホンハウジング２５内に近接して取り付けられている。ユーザがヘッドホン２６を装着した状態で、マイク２３はスピーカ２４からの音声Ｓとヘッドホンハウジング２５を介してマイク２３に届いた周囲のノイズＮの両方を集音するようになっている。
マイク２３は、スピーカ２４から出力された音声Ｓ及びノイズＮを集音して電気信号に変換し、マイクアンプ２８に供給する。マイクアンプ２８はマイク２３からの信号を増幅し、フィードバック制御手段の伝達関数２９に接続される。フィードバック制御手段の伝達関数２９の出力信号は加算手段３０にフィードバック信号として加算される。
このように制御回路部３１、ヘッドホン２６、音声入力手段３２で構成された音声再生システムは、音声信号増幅手段２７、スピーカ２４、マイク２３、マイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９、加算手段３０により負帰還のフィードバックループを構成する。
いま、ノイズキャンセル制御時におけるフィードバックループを考える。図５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６のようになる。
音声入力手段３２からの入力ｘからスピーカ２４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Ｇ、マイク２３の入力部ｙ（＝聴取者の耳空間部であり、音声ＳとノイズＮの混合した音が入力される）から加算手段３０までの後ろ向きのループゲインをＨとする。また、聴取者の耳空間部ｙに入力点ｚからノイズＮが外乱として入力される。
図６において、３３は前向きループゲインＧ、３４は後ろ向きループゲインＨ、３５はフィードバック信号加算手段、３６はノイズＮの加算点を示している。スピーカ２４からの音声Ｓは、音声入力手段３２からの入力ｘによる音とノイズ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２４からの音声ＳとノイズＮが混合している。
音声入力手段３２からの入力ｘを入力点としてマイク２３の入力部ｙを出力点とするフィードバックループの伝達関数Ｈ１は制御理論から明らかなように（数１）で表される（＊は乗算を意味する。以下同様）。

また、ノイズＮの入力部ｚを入力点としマイク２３の入力部ｙを出力点とするフィードバックループの伝達関数Ｈ２は次のようになる。

音声入力手段３２からの入力ｘとノイズ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。

（数３）の第１項は音声入力手段３２からの音声、第２項はノイズＮによる音声を示している。ノイズ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。
伝達関数Ｇと伝達関数Ｈの積、Ｇ＊Ｈが１に対して非常に大きくなったとき、入力ｘからマイク２３の入力部ｙまでのフィードバックループの伝達関数Ｈ１は（数１）から、

となり、また、ノイズＮの入力部ｚからマイク２３の入力部ｙまでのフィードバックループゲインＨ２は（数２）から、

となる。したがって、（数３）と（数５）から、図６の伝達関数のブロック線図において開ループの伝達関数Ｇ＊Ｈを大きくするとノイズ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ループの安定性は開ループゲインＧ＊Ｈにより判定できることはよく知られたことである。伝達関数Ｇは音声信号増幅手段２７の伝達関数を調整することにより行われている。伝達関数Ｇはノイズ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ループの安定性が損なわれて異常状態になる。また、伝達関数Ｈの変動には、マイク２３、マイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９のハード的な特性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、製造工程において音声信号増幅手段２７やマイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９などの可変パラメータを調整して伝達関数Ｇ、Ｈ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、マイク２３、マイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９のハード的な特性のばらつきにより伝達関数Ｈ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

上記従来技術では、安定性を確保するため、音声信号増幅手段２７やマイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９などの可変パラメータを調整して伝達関数Ｇ、Ｈ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。（数４）と（数５）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伝達関数Ｇ、Ｈをなるべく大きく設定する必用がある。従来はマイク２３、マイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９のハード的な特性に起因する変動による伝達関数Ｇ、Ｈの変動に対応することができないので伝達関数Ｇ、Ｈ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。

また、このような従来のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンにおいて、解決しようとする問題点は、製造工程において音声信号増幅手段２７やマイクアンプ２８、フィードバック制御手段の伝達関数２９などの可変パラメータを調整して伝達関数Ｇ、Ｈを調整する必要がある。
さらに、上記のように製造工程において伝達関数Ｇ、Ｈを調整する場合、経時変化に対応することができない。

音声信号入力する音声信号入力手段と、ハウジングと、スピーカと、前記ハウジングとスピーカと受聴者の頭部とで構成される音響空間内にあるマイクと、前記マイクの出力を入力とするフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御手段の出力と前記音声信号入力手段の出力とを加算する第一の加算手段と、前記加算手段からの出力を受ける音声信号増幅手段とで構成されるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンであって、
テスト信号を発生するテスト信号発生手段と、前記テスト信号発生手段から発生されたテスト信号と前記音声信号入力手段から入力される音声信号とを加算する第二の加算手段と、
前記制御手段の出力が前記フィードバック制御手段の伝達関数を調整する構成としたことを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンにおいて、テスト信号発生手段からのテスト信号をスピーカから出力し、前記フィードバックループの応答を見ることによって、開ループゲインＧ＊Ｈを最適な値に調整し、前記フィードバック制御手段内に備わる伝達関数のばらつきを調整するという作用を有する。

また、請求項２に記載の発明は、前記テスト信号は可聴帯域外の周波数の信号であることを特徴とする特許請求項１記載のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンであり、受聴者が調整音の煩わしさを感じることなく調整を終えるという作用を有する。

また、請求項３に記載の発明は、前記テスト信号は２０Hz以下の周波数の正弦波であることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。

また、請求項４に記載の発明は、前記テスト信号は２０ｋHz以上の周波数の正弦波であることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。

また、請求項５に記載の発明は、前記音声信号と前記フィードバック制御手段の伝達関数は、ともにアナログ、ディジタルを問わず、同様の効果を得ることができることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。

本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、テスト信号を用いた構成としたため、使用のたびにフィードバック制御手段の伝達関数を自動調整することができる。そのため、工程での調整が不要で、経時変化にも対応できるという利点がある。
また、前記テスト信号には可聴帯域外の周波数の信号を用いるため、受聴者が調整音の煩わしさを感じることなく調整を終えることができる。

実施の形態１にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路の構成を示す図 実施の形態２にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路の構成を示す図 実施の形態３にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路の構成を示す図 実施の形態４にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路の構成を示す図 従来技術にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路の構成を示す図 従来技術にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの制御回路における伝達関数のブロック線図

以下、本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンを実施すための最良の形態について、図１から図４を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの構成を示す。なお、実施の形態１では、音声信号がアナログ信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がディジタルの場合を示す。
図１において、フィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、制御回路部１１、ヘッドホン形の音声再生部１２と音声信号入力手段１３で構成される。制御回路１１は、音声信号増幅手段５、マイクアンプ６、フィードバック制御手段７、スイッチ手段８、第１の加算手段９、第２の加算手段１０、テスト信号発生手段１４、第２のＤ／Ａ変換器１７、Ａ／Ｄ変換器１９、第１のＤ／Ａ変換器２０で構成される。ヘッドフォン形の音声再生部１２は、マイク２、スピーカ３、ヘッドフォンハウジング４で構成され、必ずしもヘッドホン型に限定されず、イヤホン型であってもよい。以降、ヘッドフォン形の音声再生部１２は省略してヘッドホンと呼ぶ。
音声信号入力手段１３は、アナログの音声信号が出力される。また、音声信号入力手段１３はＰＣＭのディジタル信号が出力される。実施の形態１では、音声信号入力手段１３からの出力はアナログ信号とする。音声信号入力手段１３からの出力がディジタル信号の場合については、実施の形態２で説明する。
音声信号増幅手段５は、音声信号を増幅して出力する。なお、音声信号増幅手段５は、ＥＱなどのようなオーディオ信号処理を含むものとする。
マイクアンプ６は、マイク２からの電気信号を増幅して出力する。
Ａ／Ｄ変換器１９は、マイクアンプ６から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する。
フィードバック制御手段７は、その伝達関数を調整することによって、任意に信号の特性を変化させることができる。なお、フィードバック制御手段７はアナログフィルタ、ディジタルフィルタともに実現可能である。実施の形態１ではディジタルフィルタの場合について述べ、アナログフィルタを用いた場合の構成は、実施の形態２以降で説明する。フィードバック制御手段７の伝達関数は、ノイズを低減するために設けられている。フィードバック制御手段７は、その伝達関数を変えることにより、特性が変えることができる。
第１のＤ／Ａ変換器２０は、フィードバック制御手段７から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換する。
スイッチ手段８は、テスト信号発生時にはオフとなる。
第１の加算手段９は、音声信号入力手段１３からの入力信号とフィードバック制御手段７からの出力信号とを加算する。
テスト信号発生手段１４は、フィードバック制御手段７の伝達関数を調節する。
第２の加算手段１０は、テスト信号発生手段１４から発生した信号と音声信号入力手段１３から入力された入力信号とを加算する。
第２のＤ／Ａ変換器１７は、テスト信号発生手段１４から発生したディジタル信号をアナログ信号に変換する。
なお、ステレオ音声の場合、制御回路部１１と同じ構成をした左右チャンネル分の制御回路部が存在するが、左右チャンネルにおける一方だけを示し、他方は図示を省略している。また、ヘッドホン１２と制御回路部１１は、一体に構成、あるいは別体として構成することができる。また、こちらも左右チャンネルにおける一方だけを示し、他方は図示を省略している。

以上のように構成されたフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンについて、以下その動作について説明する。
受聴者のヘッドホン装着時に、テスト信号発生手段１４からテスト信号を発生させる。そのテスト信号をスイッチ手段８がオフの状態でシステムに入力する。これにより、マイク２、スピーカ３を含めた開ループの伝達関数を算出することができる。この伝達関数を元に、ヘッドホン固有の制御ループゲインばらつきを補正するように、フィードバック制御手段の伝達関数を自動的に最適な値となるように調整する。このような調整を、受聴者が聴取するたびに行うことで、フィードバック制御手段７の工程での調整が不要となり、また経時変化にも追従し、常に一定の高いノイズキャンセリング効果を出すことができる。
また、テスト信号には可聴帯域外の周波数の信号を用いる。これにより、受聴者はヘッドホン装着の都度、調整音を聞くことなく適切なフィードバック制御手段の伝達関数を調整することができる。
テスト信号に用いる可聴帯域外の周波数は、具体的には２０Ｈｚ以下、もしくは２０ｋＨｚ以上とする。このいずれかであれば、同様の効果を期待することができる。

以上のように本形態によれば、製品のばらつきや経時変化によらず、常に一定のノイズキャンセリング効果を得ることができ、また受聴者に調整音の煩わしさを感じさせることなくフィードバック制御手段の伝達関数を調整することができることとなる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２として、音声信号がアナログ信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログの場合を示す。
フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログである場合、実施の形態１で用いていたマイクアンプ６から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９とフィードバック制御手段７から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器２０が不要となる。図２は、実施の形態２にかかるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンの構成図である。
マイクアンプ６から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９とフィードバック制御手段７から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器２０が不要となる以外の構成要素、動作内容は実施の形態１と同様である。
本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、音声信号がアナログ信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログの場合であっても、図２のような構成で、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３として、音声信号がディジタル信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がディジタルの場合を示す。
音声信号がディジタル信号の場合、テスト信号は第２の加算手段１０においてディジタルのまま加算することができる。よって、図１で用いていたテスト信号発生手段１４から発生したディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１７は不要となる。しかし、音声信号増幅手段５に信号を入力する際、ディジタル信号をアナログ信号に変換する必要がある。そこで、音声信号増幅手段５への入力をディジタルからアナログへ変換する第３のＤ／Ａ変換器１８を用いて、音声信号増幅手段５への入力をディジタルからアナログへ変換する。また、フィードバック制御手段の伝達関数７がディジタルであるので、マイクアンプ６からの出力をディジタルに変換しなければならない。よって、マイクアンプ６の出力をアナログからディジタルへ変換するＡ／Ｄ変換器１９を用いる。さらに、フィードバック制御手段の伝達関数７はディジタルであるので、その出力もまたディジタルであり、音声入力手段もまたディジタルであるので、フィードバック制御手段の伝達関数７からの出力はディジタルのまま第１の加算手段９にて加算する。よって、図１で用いていた第１のＤ／Ａ変換器２０は不要となる。
１〜１７の動作内容は実施の形態１と同様である。このように図３の構成を用いて、本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、音声信号がディジタル信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がディジタルの場合であっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態４）
次に、実施の形態４として、音声信号がディジタル信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログの場合を示す。
まず、音声信号がディジタル信号の場合、テスト信号は第２の加算手段１０においてディジタルのまま音声信号と加算することができる。よって、図１で用いていたテスト信号発生手段１４から発生したディジタル信号をアナログ信号に変換する第２のＤ／Ａ変換器１７は不要となる。しかし、音声信号増幅手段５に信号を入力する際、ディジタル信号をアナログ信号に変換する必要がある。そこで、音声信号増幅手段５への入力をディジタルからアナログへ変換する第３のＤ／Ａ変換器１８を用いて、音声信号増幅手段５への入力をディジタルからアナログへ変換する。
また、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログであるので、マイクアンプ６からの出力を図１のようにディジタルに変換する必要がない。よって、実施の形態１で用いていたマイクアンプ６から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９は不要である。
さらに、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログであり、音声信号入力手段１３がディジタルであるので、フィードバック制御手段の伝達関数７の出力信号と音声信号入力手段１３を第１の加算手段９で加算するために、フィードバック制御手段の伝達関数７の出力をディジタルに変換する必要がある。
よって、図１におけるフィードバック制御手段７から出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２０は、フィードバック制御手段７から出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換するＡ／Ｄ変換器２１に置きかえる。
１〜１７の動作内容は実施の形態１と同様である。このような図４の構成を用いて、本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、音声信号がディジタル信号であり、フィードバック制御手段の伝達関数７がアナログの場合であっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンは、周囲のノイズを低減することができ、例えば道路工事等の作業現場などに用いることによって、ノイズ対策用の装置としても応用が可能である。

１ 耳
２ マイク
３ スピーカ
４ ヘッドホンハウジング
５ 音声信号増幅手段
６ マイクアンプ
７ フィードバック制御手段
８ スイッチ手段
９ 第１の加算手段
１０ 第2の加算手段
１１ 制御回路部
１２ ヘッドホン形の音声再生部（ヘッドフォン）
１３ 音声信号入力手段
１４ テスト信号発生手段
１５ 信号線
１６ 信号線
１７ 第２のＤ／Ａ変換器
１８ 第３のＤ／Ａ変換器
１９ Ａ／Ｄ変換器
２０ 第１のＤ／Ａ変換器
２１ Ａ／Ｄ変換器

Claims (5)

1. 音声信号を入力する音声信号入力手段と、
   ハウジングと、
   スピーカと、
   前記ハウジングとスピーカと受聴者の頭部とで構成される音響空間内にあるマイクと、
   前記マイクの出力を入力とするフィードバック制御手段と、
   前記フィードバック制御手段の出力と前記音声信号入力手段の出力とを加算する第一の加算手段と、
   前記加算手段からの出力を受ける音声信号増幅手段とで
   構成されるフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホンであって、
   テスト信号を発生するテスト信号発生手段と、
   前記テスト信号発生手段から発生されたテスト信号と前記音声信号入力手段から入力される音声信号とを加算する第二の加算手段と、
   前記制御手段の出力が前記フィードバック制御手段の伝達関数を調整する構成としたことを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。
2. 前記テスト信号は可聴帯域外の周波数の信号であることを特徴とする特許請求項１記載のフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。
3. 前記テスト信号は20Hz以下の周波数の正弦波であることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。
4. 前記テスト信号は20kHz以上の周波数の正弦波であることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。
5. 前記音声信号と前記フィードバック制御手段の伝達関数は、ともにアナログ、ディジタルを問わず、同様の効果を得ることができることを特徴とするフィードバック型ノイズキャンセリングヘッドホン。

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