JP2011055085A

JP2011055085A - デジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法

Info

Publication number: JP2011055085A
Application number: JP2009199949A
Authority: JP
Inventors: Shinya Urushizaki; 慎也漆崎; Ariisa Wada; 存功和田
Original assignee: Audio Technica KK
Current assignee: Audio Technica KK
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】環境雑音を打ち消して音楽のみを聞くことができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法において、環境雑音に含まれる低い周波数成分の消音効果を維持しつつ、耳障りとなる環境雑音に含まれる高い周波数成分の増幅現象を抑制し、聴感上での消音効果を向上させることができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法を得る。
【解決手段】マイクロホンと、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理装置と、Ｄ／Ａ変換器と、ミキサと、スピーカと、を有し、デジタル信号処理装置が、キャンセル信号生成手段と、フィルタ手段と、位相補正手段と、レベル調整手段と、を有するデジタルノイズキャンセルホンによる。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法に関するものであって、詳しくは、周波数帯域ごとに最適な位相とゲインをコントロールすることで、環境雑音に含まれる周波数成分の消音効果を得るために生じる高い周波数成分の増幅を抑止することができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法に関するものである。

環境雑音を打ち消すキャンセル信号と音楽を混合して出力することで、環境雑音を消音し、好適な環境で音楽を聴くことができるデジタルノイズキャンセルヘッドホンが知られている（例えば特許文献１を参照）。
特許文献１に示す従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンは、ヘッドホン筐体に取り付けられたマイクロホンユニットによって周囲の雑音（環境雑音）を集音して電気信号に変換し、この環境雑音を元にヘッドホン筐体を通過して利用者の耳に聞こえる騒音を打ち消すキャンセル信号を生成して、このキャンセル信号を音楽とともにヘッドホンスピーカユニットから再生し、出力するように構成されている。

特開第２５６２７０８号公報

上記のような従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの構成は、環境雑音に含まれる１ｋＨｚよりも高い周波数成分（以下「高域成分」とする）はヘッドホン筐体等によって減衰させ、ヘッドホン筐体等では減衰しにくい１ｋＨｚ以下の低い周波数成分（以下「低域成分」とする）をキャンセル信号によって打ち消して減衰させるように構成されている。

しかし、キャンセル信号を用いて１ｋＨｚ以下の低域成分を減衰させると、高域成分の位相とキャンセル信号の位相にズレが生じ、これによって、この高域成分の一部を増幅されたかのような現象が生じる。このような特性は、ノイズキャンセルヘッドホンには不適な特性である。このような高域成分が出力されると、利用者にとって耳障りな音となる。

これを解決するために、高域成分が増幅される周波数帯域に対してノッチフィルタを用いる方法が知られている。しかし、ノッチフィルタを用いると、低域成分における消音効果が低下して、ノイズキャンセルヘッドホンにとって不適な特性となる。また、ノッチフィルタは遮断する周波数帯域の境界となる上下の周波数帯域において、位相が大きく変わってしまうため、位相をコントロールして消音効果を期待するノイズキャンセルヘッドホンには不向きなフィルタであり、環境雑音に対するキャンセル信号の位相制御が困難であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、高域成分における増幅を抑えることができ、効果的に環境雑音を消音することができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法を提供することを目的とする。

本発明は、デジタルノイズキャンセルヘッドホンであって、環境雑音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変換されたデジタル信号に基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成して出力するデジタル信号処理装置と、キャンセル信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから出力されるアナログ電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンであって、デジタル信号処理装置が、キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、環境雑音に係るデジタル信号から所定の周波数帯域の信号成分を抽出するフィルタ手段と、フィルタ手段で抽出された信号の位相を補正する位相補正手段と、位相補正手段において補正された信号の出力レベルを調整するレベル調整手段と、キャンセル信号とレベル調整手段の出力を加算する加算手段と、を有することを主な特徴とする。

また、本発明の別の形態は、デジタルノイズキャンセル方法であって、環境雑音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変換されたデジタル信号に基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成して出力するデジタル信号処理装置と、キャンセル信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから出力されるアナログ電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンによって、デジタル信号処理装置の動作ステップとして、環境雑音に基づくキャンセル信号を生成するステップと、環境雑音に係るデジタル信号から所定の周波数帯域の信号成分を抽出するステップと、フィルタ手段が抽出した信号の位相を補正するステップと、位相が補正された信号の出力レベルを調整するステップと、キャンセル信号と上記レベル調整手段の出力を加算するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、デジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、環境騒音の低域成分の消音効果の低下を抑えつつ、環境雑音の高域成分の増幅により発生する耳障りなノイズを低減することができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びノイズキャンセル方法を得ることができる。

本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの実施例を示す機能ブロック図である。上記実施例におけるＤＳＰが備える機能構成の例を示す機能ブロック図である。本発明に係るデジタルノイズキャンセル方法の例を示すフローチャートである。本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの消音特性を表すグラフである。

本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びノイズキャンセル方法の実施形態の例について図を用いて説明する。図１は、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの例を示す機能ブロック図である。図１において、デジタルノイズキャンセルヘッドホン１００は、環境雑音をアナログ電気信号に変換するマイクユニットであるマイク１１０と、マイク１１０から入力された信号を増幅するアンプであるアンプ１２０と、アンプ１２０から出力された環境雑音に係るアナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ１３０と、Ａ／Ｄ１３０から出力されるデジタル信号に基づいてキャンセル信号を生成して出力する信号処理を行うＤＳＰ１４０と、ＤＳＰ１４０から出力されるキャンセル信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ１５０と、音楽ソースＭから供給される音楽信号とＤ／Ａ１５０から供給されるキャンセル信号を混合して出力するミキサ１６０と、混合された信号用のアンプであってスピーカ１８０を駆動するアンプ１７０と、混合された信号を出力するスピーカユニットであるスピーカ１８０と、を有している。

本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンは、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）が備える機能構成に特徴を有している。よって、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの実施例として、本発明に用いられるＤＳＰの構成の例を中心に説明をする。図２は、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンが備えるＤＳＰの機能構成例を示す機能ブロック図である。当該ＤＳＰによって提供される処理機能は、ＤＳＰが備えるハードウェア資源を用いて動作するソフトウェアによって実現される。

図２においてＤＳＰ１４０は、キャンセル信号生成手段１４１、フィルタ手段１４２、位相補正手段１４３、レベル調整手段１４４、加算手段１４５、を備えている。
キャンセル信号生成手段１４１は、図示しないマイクロホンが集音しＡ／Ｄ１３０によってデジタル信号に変換された環境雑音信号を入力とし、これに基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成して出力する手段である。

フィルタ手段１４２は、Ａ／Ｄ１３０から入力された環境雑音に係るデジタル信号の所定の周波数帯域の成分を抽出して出力する手段である。このフィルタ手段１４２は例えばハイパスフィルタであって、高域成分を抽出するものであればよい。

位相補正手段１４３は、ゲインが一定で位相のみが変わる特性を有するフィルタであって、フィルタ手段１４２において抽出された特定の周波数成分の位相を補正する手段である。位相補正手段１４３の具体例は例えばオールパスフィルタである。
当該手段で行う位相の補正処理は、キャンセル信号生成手段１４１の入出力間における位相差と、フィルタ手段１４２において抽出された特定の周波数成分の位相差が等しくなるようにする。

レベル調整手段１４４は、位相補正手段１４３にて処理された特定の周波数成分のレベルを調整して出力する手段である。特定の周波数成分の調整量はフィルタ手段１４２が処理の対象とする周波数帯域の抑止度合いによって決定される。

加算手段１４５は、キャンセル信号生成手段１４１から出力されるキャンセル信号と、レベル調整手段１４４から出力される信号を加算してＤ／Ａ１５０に出力する手段である。

次に、本発明に係るデジタルノイズキャンセル処理方法の例について説明をする。本発明に係るデジタルノイズキャンセル処理方法は、上記したＤＳＰ１４０における処理に特徴を有している。

図３は、本実施例に係るＤＳＰ１４０にて行われるデジタルノイズキャンセル処理の例を示すフローチャートである。マイクロホンから入力された環境雑音信号がＡ／Ｄ１３０によってデジタル信号に変換されフィルタ手段１４２に入力されると、フィルタ手段１４２によって、予め既定する周波数帯域の成分を抽出する処理が行われる（Ｓ１０）。フィルタ手段１４２は例えばバンドパスフィルタであって、従来のノイズキャンセルヘッドホンでは利用者の耳に向けて出力されてしまう周波数成分を抽出する。

次に、位相補正手段１４３によって、フィルタ処理（Ｓ１０）で抽出された周波数成分の位相を、キャンセル信号生成手段１４１における入出力間の位相差と等しくなるように補正する処理が行われる（Ｓ２０）。

次に、レベル調整手段１４４において、位相が補正された特定の周波数成分のレベルを調整して出力する処理が行われる（Ｓ３０）。特定の周波数成分の調整量はフィルタ手段１４２が処理の対象とする周波数帯域の抑止度合いによって決定される係数である。

次に、加算手段１４５において、レベル調整手段１４４から出力される特定の周波数成分に係るデジタル信号と、キャンセル信号生成手段１４１から出力されるキャンセル信号を加算してＤ／Ａ１５０に出力する（Ｓ４０）。

上記にて説明をした本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの消音特性について、図４を用いて説明をする。図４は、縦軸がレベル、横軸が周波数であって、周波数に対する環境雑音の遮断特性及び消音特性を示すグラフである。

図４において、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの特性と従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの特性を比較する。
符号１はヘッドホン筐体等による遮音特性を示している。符号２は従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおける消音特性を示している。符号３は従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、増幅される高域成分を抑制するノッチフィルタを用いたときの消音特性を示している。符号４は、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおける消音特性を示している。

符号１に示すように、ヘッドホン筐体は１ｋＨｚよりも高域の成分を遮断して減衰させるので、高域における環境雑音のレベルが減衰している。

符号２に示すように、１ｋＨｚよりも低域の成分に対してデジタルノイズキャンセル処理を行うと、１ｋＨｚよりも高域の周波数帯域の一部が増幅したようにレベルが上昇してしまう。これは、デジタルノイズキャンセル処理によって低域に比べて高域のキャンセル信号の位相が合わなくなるためである。符号３に示すように、当該周波数帯域の増幅現象を抑止するためにノッチフィルタを用いると、１ｋＨｚよりも高域の成分の消音効果は向上するが、１ｋＨｚよりも低域の成分の消音効果が低下する。

このような従来の特性と比較すれば明らかなように、符号４に示す本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンは、低域における消音効果を維持しつつ、従来では増幅していた高域成分を抑止し、効果的な消音効果を発揮することができる。

このように、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンは、筐体による遮音効果が薄い低い周波数帯域において、消音効果を発揮し、さらに、高い周波数帯域における消音効果も発揮することができる。

以上のように本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法によれば、環境雑音に含まれる低い周波数成分の消音効果と、従来のノイズキャンセル方法において発生していた高域成分の増幅による耳障りな音を抑止する効果を発揮し、従来に比べてより効果的に環境雑音を消音しつつ、高音質な音楽を利用者が聴くことができるようになる。

本発明は、コンサートホールやカーオーディーオなど、音楽信号を再生して出力する各種音響システムにおけるノイズキャンセル処理にも適用可能である。

１４０デジタル信号処理装置
１４１キャンセル信号生成手段
１４２フィルタ手段
１４３位相補正手段
１４４レベル調整手段
１４５加算手段

Claims

環境雑音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変換された上記デジタル信号に基づいて上記環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成して出力するデジタル信号処理装置と、上記キャンセル信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、上記キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから出力されるアナログ電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンであって、
上記デジタル信号処理装置は、
上記キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、
上記環境雑音に係るデジタル信号から所定の周波数帯域の信号成分を抽出するフィルタ手段と、
上記フィルタ手段で抽出された信号の位相を補正する位相補正手段と、
上記位相補正手段において補正された信号の出力レベルを調整するレベル調整手段と、
上記キャンセル信号と上記レベル調整手段の出力を加算する加算手段と、を有することを特徴とするデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
環境雑音をアナログ電気信号に変換するマイクロホンと、アナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、変換された上記デジタル信号に基づいて上記環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成して出力するデジタル信号処理装置と、上記キャンセル信号をアナログ電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、上記キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから出力されるアナログ電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンによるデジタルノイズキャンセル方法であって、
上記デジタル信号処理装置の動作ステップとして、
上記環境雑音に基づくキャンセル信号を生成するステップと、
上記環境雑音に係るデジタル信号から所定の周波数帯域の信号成分を抽出するステップと、
上記フィルタ手段が抽出した信号の位相を補正するステップと、
上記位相が補正された信号の出力レベルを調整するステップと、
上記キャンセル信号と上記レベル調整手段の出力を加算するステップと、を有することを特徴とするデジタルノイズキャンセル方法。