JP2015518290A - フィードバック抑制を有するマイクロホンモジュールとフィードバック抑制方法 - Google Patents

Abstract

マイクロホンモジュールとマイクロホンのフィードバックを抑制する方法の提供。モジュールは、中空のボア穴が貫通形成された筐体であって、そのボア穴の一端にマイクロホンが取り付けられた筐体を有している。ボア穴の他端は筐体の頂部に取り付けられた膜によって完全に被覆される。膜はボア穴の他端を被覆する膜部分内に少なくとも１つのスリットを有している。この方法は、膜を少なくとも２つの部分に分離する少なくとも１つのスリットを有する膜へ音波を導入するステップと、各膜部分から音波を生成するステップと、生成された音波を再結合された音波として音響管内でマイクロホンへ伝達するステップと、を含む。

Description

本発明は一般にマイクロホンに係り、より詳細には、帰還（以下、フィードバック）抑制を有するマイクロホンに関する。

マイクロホンフィードバックとも呼ばれる「音声フィードバック効果」は、周波数がマイクロホンの出力側の音波の周波数と同じである音波がマイクロホンに入力されたときに発生する。
フィードバックは音声を受信して放送する電子機器上で発生し得る。外部フィードバック経路が形成されると、放送ポイントによって生成される音波は集音ポイントによって受音され、これによって、音波は常に繰返し増幅される。
フィードバックの２大インパクトは：
１）フィードバック音声が原音に混成されると、音声歪みを引き起こす。
２）同じ周波数のフィードバックが繰返し蓄積され、ボリューム利得が過度に大きくなるとき、甲高い笛音（ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｗｈｉｓｔｌｅ）が発生する。

ハイファイ音の除去：
（１）マイクロホンは入ってくる音や信号が目標音源から出たのかまたはバックグラウンドノイズや内蔵マイク生成ノイズなどのノイズから出たのかを判断することができない。目標音がノイズにより干渉された場合、それらの音波は変化し、よって音質が影響を受ける。
（２）従来のノイズフィルタは入力信号の周波数を処理することによってこの問題を解決することができる。ノイズと音源の周波数が異なる場合、（ある周波数未満の音のみを通過させる）高域（ハイパス）フィルタ、（ある周波数を超える音のみを通過させる）低域（ローパス）フィルタ、または（ある周波数範囲内の音のみを通過させる）レンジパスフィルタはノイズをフィルタリングするために使用することができる。
（３）しかしながら、ノイズと目標音の周波数が同じであるかまたは近似している（目標音の多重反射のような）場合、目標音とノイズが類似しており、フィルタはこのノイズを除去することができない。
（４）更に、使用されているフィルタがディジタルであるかアナログであるかにかかわらず、または、周波数または時間領域フィルタが使用される場合、全てのフィルタには、多かれ少なかれ、数学的変換が施される。この変換は、歪みと時間遅延の問題から生じる。よって、フィルタが良ければ良いほど、より複雑な設計や数学的変換が必要とされる。例えば、最新のウェーブレットフィルタを使用することができるが、費用が極めて高い。

目標の望ましい音声信号とノイズ信号との主な違いはそれらが入ってくる方向およびエネルギにある。目標音は一定方向とより高いエネルギを有している。他の音源とこれらの様々な方向から生じるノイズは、通常、低エネルギを有している。本発明の目的は目標音声信号がノイズ信号より優勢になるようにすることである。

本発明は、マイクロホンに入力された音波の位相をシフトすることによってフィードバックの問題に対する機械的解決を提供する。位相のシフトは音波を少なくとも２つの２次音波に分けてから、マイクロホンに影響を与える前にそれらを再結合することによって、物理的に行われる。

本発明に係るマイクロホンモジュールは、本体と、音波を受信するための開口またはエリア（部分）と、変換器用振動板と、を含む。モジュールはまた、マイクロホン本体の音波受信エリア上に延出しかつこのエリアから離間される膜または振動板も含む。膜は、一実施形態において、膜の中央部に貫通して配置された少なくとも１つのスリットまたは切れ目を有している。スリットは音波を通過させ、これによって、各々がスリットの各側で膜部分によって生成される少なくとも２つの互いに異なる音（響）波が形成される。
本発明の膜スリットの構造は直接前からのより高いエネルギをもった音波を通過させるが、他の方向からの、またはより低いエネルギをもった音波の効果（エフェクト）を除去または減らすためにフィルタ効果を追加する。このようにして、目標／標的となる音源の音波に対するバラツキは全く生じないかまたはほんの僅か生じるにすぎず、これによって音質の向上がみられる。

スリットを含む頂部を有する筐体を有する本発明の好ましい実施形態によるマイクロホンを示す模式的分解斜視図である。 マイクロホン筐体を示す模式的斜視図であって、スリットの場所を示す図である。 マイクロホン筐体によって囲まれたマイクロホンを示す図２のＡ−Ａ線に沿った模式的切断断面図であって、スリットを有する頂部と内部チャンバを示す図である。 マイクロホン筐体を示す頂部平面図である。 膜カバー内のスプリットによる入射音波の分割を概略的に示す模式的断面図である。 膜を示す平面図であって、本発明の好ましいスプリットまたは十字の切れ目パターンを示す図である。

図１〜５を参照して本発明の好ましい実施形態に関して説明され、いくつかの図面を通して同様の参照番号が同様の構成要素を示す。

本発明の実施形態を説明する際、少なくとも本発明には数多くの特定のインプリメンテーションが施されるという理由から、模式的図示表現のみが使用されているが、これは当業者の認識するところである。

ここで、特に、図１、２、３、および４を参照するに、模式的に示されたマイクロホン１１０と、ハウジング、ガイド管または筐体１２０と、を含むマイクロホンモジュール１００が示されている。マイクロホン１１０は、例えば、従来のコンデンサマイクロホンであってよい。

ガイド管１２０は、外部表面１２１と、それを完全に貫通して延びる内部ボア穴またはチャンバ１２２と、を有している。図１に示したように、チャンバ１２２は（第１のセクションと呼ばれることがありチャンバの向きが問題にならない）より長い上部セクション１２４と、これに連続したより幅の広い下部セクション１２６（第２のセクションと呼ばれることもある）と、を有している。下部チャンバセクション１２６はマイクロホン１１０の頂部または受音部を受け取るとともに、図３に示したように、マイクロホン１１０をぴったりと包含することができるような直径およびボア穴形状を有している。上部チャンバセクション１２４と下部チャンバセクション１２６が合わさる部分、すなわち上部チャンバセクション１２４の底部１２９が集音空間の端部ひいてはその長さを画定する。以下に説明したように、上部チャンバセクション１２４の長さはマイクロホンモジュール１００のフィルタリング特性と品質に影響を与える。

図１に示したように、筐体１２０は頂部受音端部１２８と底端部１３０とを有している。上述したように、底部伝音端部に参照番号１２９が付されている。

上部チャンバ１２４の内部形状は円筒形として示されているが、卵形であってよく、また矩形であってもよい。チャンバ１２２は唯一のボア穴を有しているものとして示されているが、筐体１２０は２以上の部分からなることができ、上部チャンバ１２４はマイクロホン１１０の端部に直接取り付けることもできる。また、外部弾性ハウジング（図示なし）は、筐体１２０を外部の音および振動から良好に絶縁させるように筐体１２０を囲繞することができる。

２つの異なる実施形態による筐体１２０の例示的な寸法は、
マイクロホン直径（下部セクション１２６）：９ｍｍおよび６ｍｍ、
マイクロホンの音孔直径：４ｍｍおよび２ｍｍ、
上部セクション１２８の内径：４ｍｍおよび２ｍｍ、
上部セクション１２８の長さ：４ｍｍおよび２ｍｍ。

円盤状薄膜１４０は、例えば、接着剤またはネジや釘などの何らかの機械的接続によって、筐体１２０の頂端部１２８に固着される。膜１４０は、チャンバ上部セクション１２４の上端部を完全に閉じることができ、チャンバ１２０を横切ってぴんと張設されるような最小の直径を有する。図１および２において、膜１４０は筐体１２０の上端部と同じ直径を有している。本実施形態において、膜１４０は１枚のシートのみを有するものとして図示され説明されているが、他の実施形態において、膜１４０は、複数のシートから、または複数の層を有する積層体から構成されてもよい。

膜１４０の中心部分には単一の薄肉のスリット１４２が配置されており、このスリットは、膜１４０が筐体１２０に取り付けられると、筐体１２０の頂端部１２８を横切って全体的に延びる。スリット１４２は膜１４０を第１セクション１４４と第２セクションに分割する。

膜１４０は、例えば、プラスチック膜（例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＥＥＮ、ＯＰＰ（延伸ポリプロピレン））などの可撓性であるが壊れないまたは破れない任意の材料から作ることができる。また、膜１４０は、可撓性の金属製薄膜から構成されてもよい。更に、膜１４０は単一の材料シートから構成されるとして示されているが、膜１４０は、様々な材料を分割するスリット１４２を備える、同心円状であってよい、または同一面上であってよい複数の部分を有する複数材料のシートから構成されてよい。いうまでもなく、後者の設計は生成された音波が様々な特性（例えば、位相、振幅、振動）を有するので、様々な音再生効果をもたらす。

膜１４０は、約０．０１〜約０．１ｍｍの膜厚寸法を有している。スリット１４２の長さはチャンバ１２２の頂部の直径と同じか若しくはこれより僅かに長いかまたはチャンバ１２２の頂部の直径の半分から９割の長さであってよい。好ましくは、スリット１４２は単に細い切れ目である。

上部チャンバセクション１２４の端部の直径に等しいかまたはこれより大きいスリット１４２の長さが好ましい。好ましくは、スリット１４２は直線または線形であるが、スリット１４２の長さにある程度依存して、延長時に数百ｍｍから数ｃｍの半径を有する円弧形であってよい。また、上述したように、スリット１４２は、実際、図６に示したように、好ましくは互いに交差する、複数のスリットであってよい。この場合、いうまでもなく、より複雑な複数の信号が生成される。更に、スリット１４２は複数の振動する分離膜セクションが得られる互いに平行な切れ目（カット）などの互いに交差しない複数の切れ目から構成されてよい。更に、２つ以上の軸方向に互いに間隔をとって配設された膜などの複数の膜が提供されている実施形態において、各膜は他のスリットの上に位置合わせされ且つ位置付けられたスリットを有するか、または、スリットは垂直に位置合わせされないように膜本体の異なる部分内にあってもよい。

より硬質な膜１４０のスリット１４２は十字形を含むかまたは有することが本発明では好ましく、より軟質な膜１４０のスリット１４２は直線スリットまたは平行なスリットを含むことが本発明では好ましい。

チャンバ上部セクション１２４の中心から様々な場所にあるスリット１４２は金切り音フィードバック抑制に様々な結果をもたらす。スリット１４２が中心にない場合、第１と第２の膜セクション１４４、１４６では大きさが異なり、得られる音波の時間的推移（タイムシフト）も違ってくる。チャンバ１２２の上の中心に配置されたスリット１４２はスリットが膜１４０の中心にない場合より良好である。よって、単一のスリット１４２または複数のスリットのいずれかにとって、十字形スリットか並列スリットにかかわらず、スリットは中心に対して対称形に配置する必要がある。

膜１４０の直径は、マイクロホンの大きさに係り、マイクロホン本体（頂部および集音端部）内の受音穴または（複数の）穴の大きさの範囲より僅かに幅が広い。膜１４０の厚さは膜１４０を通過する音の結果に影響を与える。音が発生すると、高音と低音のエネルギは同じレベルである。しかし、音が音の発生源から間隔をとって広がるにつれ、高音は低音よりも多く衰退する。よって、音の発生源から間隔をとって配設された膜１４０に到達する際、低音のエネルギは高音より高い。よって、低音は、高音より良好に、厚肉の膜を通過（振動）することができる。従って、膜材料が同じ場合、膜厚が大きくなればなるほど、マイクロホンに到達する中高音は悪くなり、またマイクロホンの設計が中高音のフィールドにおいて性能が不十分であるということは好適ではない。膜厚が同じ場合、膜材料が軟質であればあるほど、性能が良くなり、中高音がもたらす結果も良くなる。膜は、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍで変化する厚さが好ましく、ＰＥＴ、ＰＥＥＮおよびＯＰＰなどの材料から作られる。膜材料の様々な硬度を使用することによってマイクロホンの性能を調節して望ましい結果を得ることができる。

筐体１２０の長さは、好ましくは、ほんの数ｃｍであり、幅は数ｃｍである。筐体１２０は円筒形として図示されているが、任意の外部形状を使用することができる。筐体は、好ましくは、僅かに圧縮可能な弾性または軟質の材料から作られるが、プラスチックや金属などの堅固な硬質材料から作ることもできる。筐体１２０はまた、亀裂や破断に耐性のあるセラミック材料から構成することもできる。筐体１２０はまた、２つ以上の材料から構成されうるが、上部チャンバ２４を形成する内壁は、通過する音波に干渉を導入させないように弾力性がなく反射型であることが好ましい。

膜１４０の直径範囲と同様に、チャンバ１２２の長さは、様々な周波数とともにマイクロホンモジュール１００の性能に影響を与える。チャンバ１２２の長さがチャンバ１２２の内径に等しいかまたは近似している場合、高音、中音、低音に対して良い結果をもたらし、音源とマイクロホンから良好な金切り音のフィードバック抑制が得られる。チャンバ１２２の長さがチャンバ１２２の内径より小さい場合、中音、高音に対して良好な結果をもたらすが、金切り音のフィードバック抑制は（即ち、音源からマイクロホンにより近い距離において）不十分である。チャンバ１２２の長さがチャンバ１２２の内径より長い場合、中音、高音に対して悪い結果をもたらすが、金切り音のフィードバック抑制は（即ち、音源からマイクロホンにより近い距離において）良好である。

筐体１２０は、プラスチック、金属、セラミック材料で作ることができる。材料が硬質であればあるほど、筐体材料から起こり得る振動がより良く絶縁される。

図５に示すように、マイクロホンモジュール１００の動作において、音波１５０が膜１４０の表面に到達し、膜セクション１４４および１４６が独立して振動することによって２つの音波１５２および１５４が生成される。音波１５２および１５４は同じ周波数を有しており、音波１５２および１５４は、膜セクション１４４、１４６がほぼ同じ表面積を有している場合、同じ位相を有するが、振幅が半分まで減少する。また、原音波１５０と音波１５２および１５４との間には位相差（即ち、時間差）も生じる。音波１５２および１５４はチャンバ１２２を通過して結合されチャンバ底部において新たな音波として再生される。原音波１５０と生成された音波１５２および１５４との時間差に起因して新しい音波と原音波との間には僅かな差が生じ、これはフィードバック抑制をするのに十分である。いうまでもなく、図６に示したスリットなどによって生成される音波数が増えれば増えるほど、原音波と再構築された音波との間での累積的な差もより大きくなって、生成されるフィードバック抑制が大きくなる。

本発明は理論的には以下のように動作する。
Ａ． ノイズの除去

膜１４０は以下の原則と理由に基づいてフィードバックノイズを除去する。
（１） ノイズは目標音源の反射から、非目標音源から、非目標音源からの反射から、および（一般に、音源の環境（サラウンディング）における全ての多重反射、屈折、および分散を指す）ホワイトノイズ（白色雑音）から出てくる。
（２） 配向／方向性：膜１４０は、非目標音源やホワイトノイズをフィルタ除去する大きな単方向効果を生成する。膜１４０に垂直（即ち、法線方向）に入射する目標音源、非目標音源、およびホワイトノイズの反射はフィルタ除去されない。
（３） 膜を駆動する重要なエネルギと上記プロセスのエネルギ変換は線形変換されない。膜は入射音波が最小量の強度を有する場合にのみ振動する。例えば、目標音源の反射、非目標音源の反射および反射または多重反射されたホワイトノイズから出てくるノイズは伝達および球状拡散の後にエネルギが衰退する。よって、これらの低エネルギノイズはこのように膜１４０によってフィルタリングされる。
（４） ガイド管１２０の構成を使用することにより、風は、マイクロホンダイヤフラムに到達する前に膜１４０を通過する必要がある。このように風圧はマイクロホンダイヤフラムを前後に振動させず、シフトまたは移動させるにすぎない。膜１４０は振動によって音エネルギを伝達する。膜のシフトや移動は音のエネルギを生成せずひいてはノイズも生成しない。というのは、エネルギは膜によって減衰され、吸収され、または反射されるからである。
（５） 風が膜１４０に達することによって音の発生を引き起こす可能性には２つの条件がある：風の強さまたは風の方向の変化である。風の強さや方向が変化すると、これが膜１４０の気密度を変化させ、振動に類似した効果を生じうる。これは風の強さや方向の変化が激しいときに特にあてはまり、振動に良く似た状況である。このタイプのノイズはより深刻である。

膜１４０の表面にほぼ平行な方向において膜１４０に向かって風が吹くと、角度の僅かな変動によって大きく音圧がばらつき、それによりノイズが生成される。風圧のパワーは音波よりもはるかに大きい。よって、５％未満のエネルギをもたらす膜１４０に対する風成分は膜１４０を振動させてノイズを生成する。よって、風が膜１４０にほぼ平行に吹くとき、ノイズが生じる。（この現象は風が旗をなびかせる時に類似しており、この旗は小角内でなびいて出音する。）

膜を使用することによってマイクロホンへのフィードバックを低下させる物理的な方法が、マイクロホンモジュール１００に影響を与える様々なタイプの音波に対して説明されている。マイクロホンの入力端には弾性膜があり、図１および２に示したように、膜内には少なくとも１つの切れ目（カット）がある。音波は方向性振動によって伝達されるエネルギである。膜１４０に対して垂直な成分は膜１４０を振動させるが、平行な成分は膜を振動させない。膜１４０に切れ目がない場合、膜１４０は密封されており、振動に寄与するのは難しい。音波のごく僅かな部分が膜１４０を通過することができ、貫通波を形成するが、残りは反射され、垂直な反射型波を形成する。

膜１４０に切れ目が入ると、その開口縁は自由端であり、得られる膜部分は容易に振動して貫通波を形成することができる。生成された音波がマイクロホン１１０に到達してマイクロホン１１０によって集音されるとき、時間差はあるが、この時間差は小さいため、通常、歪みは許容範囲である。従来のマイクロホンのように、集音端部の開口に膜１４０が存在しない場合、入射波は開口に平行に入ってくるが、回折効果により一部の音波が集音端部に入る。従って、それでもなお、いくらかの音が集音され、これらの音を完全に遮断することが可能となる。

従来のマイクロホンにおけるように、集音端部の開口に膜が存在しない場合、音波は集音管に非平行な伝達経路内の集音開口部に入る。この場合、多重反射が発生し、管の壁に他の障害が発生する。様々な周波数の反射が様々な障害を引き起こし、音の歪みの原因となる。

本発明の構造は１つ以上の膜を用いているが、以下を説明するために、単一の膜のみを説明する。膜とその振動に関しては、音波が管の壁にほぼ平行な伝達経路内の管に入力され、生成される多重反射が少なくなり、よって、音声歪みが生じない。

音源から膜１４０の表面へ音波が入射角度「θ（シータ）」で入ると、その音波は時間差をもって膜ＡおよびＢに到着し、Ａ、Ｂの両膜は独立して振動する。これらは２つの新しい音波として示され（図５参照）、音源と同じ波形を有するが、振幅は半分であり、２つの新しい音波の間には時間差もあり位相差もある。２つの新しい音波は内部チャンバ１２２内では１つの音波として結合される。これら２つの音波の間には位相差があるので、新たに形成された音波と音源の音波との間に僅かな差異が出てくる。新たに形成された音波はマイクロホンによって集音され、スピーカから出力される。出力された音波が膜１４０に戻ったとき、新しい音波が原音波から時間差をもって到着し、ここでまた、新たな音波が位相をもって管内で形成される。そして、蓄積された位相差が大きくなる。

本発明によれば、音波のフィードバック毎に、位相差を累積し、累積結果を減らすことによって、フィードバックノイズや笛音が抑制される。本発明を採用しないマイクロホンからのマイクロホンフィードバックについては、理論上は、ゼロ位相差で同じ周波数を有する音波のフィードバック回数が多ければ多いほど、甲高い笛音が強くなる。しかしながら、本発明によれば、音波のフィードバック回数が多ければ多いほど、位相差が大きくなり、波形の蓄積差が増加し、これによって、甲高い笛音がますます抑制される。

本発明の実施形態に対して、他の実施形態、代替、変更、変形だけでなく、他の寸法が適用できることは当業者には明確であり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (12)

1. 受音部を有するマイクロホンと、
   少なくとも１つの開口端部を含むチャンバを有する筐体であって、前記チャンバの少なくとも一部が前記受音部を越えて延びるように前記マイクロホンが前記チャンバ内に取り付けられている筐体と、
   前記チャンバの前記開口端部を完全被覆する膜であって、前記膜が前記チャンバ開口端部上に配置された前記膜の一部に少なくとも１つのスリットを有しており、前記スリットが前記膜を完全に貫通して延びることによって、音波が前記膜に達した際、前記膜を第１の振動部と第２の振動部へ分離する膜と、
   を含むマイクロホンモジュール。
2. 前記チャンバが前記筐体を完全に貫通して延びる請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
3. 前記チャンバが開口端部を含む第１のセクションと前記第１のセクションに連接している第２のセクションとを有しており、前記マイクロホンが前記第２のセクション内に取り付けられている請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
4. 前記筐体チャンバの前記開口端部の開口の直径が約２．０ｍｍである請求項３に記載のマイクロホンモジュール。
5. 前記チャンバの第１のセクションが円筒形である請求項３に記載のマイクロホンモジュール。
6. 前記スリットが前記膜の前記チャンバ開口端部を被覆する部分の中心部に配置されている請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
7. 前記膜が複数の交差するスリットを有しており、各スリットが前記膜を完全に貫通して延び、音波が前記膜に達した際、前記膜を対応する振動部分へ分割する請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
8. 前記膜が約０．０１ｍｍ〜約０．１ｍｍの厚さである請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
9. 前記筐体が弾性を有する請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
10. 前記マイクロホンはコンデンサマイクロホンである請求項１に記載のマイクロホンモジュール。
11. マイクロホンにおいてフィードバックを抑制する方法であって、
    スリットを有する膜へ音波を導入することによって前記音によって前記スリットの各側を個別に振動させて２つの音波を生成させるステップと、
    前記２つの音波を、音響管を通して、筐体内に取り付けられたマイクロホンへ伝導するステップと、
    前記２つの音波の再結合を可能にするステップと、
    を含む方法。
12. 前記マイクロホンをぴったりと受容するチャンバを有する筐体内にマイクロホンを取り付けるステップと、
    前記筐体の頂部を介して前記筐体内に前記マイクロホンから延びる音響管を提供するステップと、
    前記筐体の前記頂部上に膜を提供するステップであって、前記膜内に前記膜を少なくとも２つの部分へ分割する少なくとも１つのスリットを有しているステップと、
    前記筐体へ音波を導入して前記膜に衝突させ前記膜部分を振動させるステップと、
    を更に含む請求項１１に記載の方法。

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