JP2017175332A

JP2017175332A - 耳装着音響再生装置

Info

Publication number: JP2017175332A
Application number: JP2016058182A
Authority: JP
Inventors: 裕介小長井; Yusuke Konagai
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP6668865B2

Abstract

【課題】アクティブノイズキャンセリングを補完することにより、外部騒音による不快感を低減することができる耳装着音響再生装置を提供する。【解決手段】外部音５００が使用者の外耳道に進入することを抑制する遮音部１６と、遮音部１６で抑制されずに外耳道に透過した透過音５０１を相殺するキャンセル信号５０３と、キャンセル信号５０３で相殺されずに残存する残存透過音５０２をマスキングするためのマスキング信号５０５と、を物理振動に変換して出力するスピーカ１５Ｌ，１５Ｒと、を備えた耳装着音響再生装置１００とする。【選択図】図１

Description

この発明は、アクティブノイズキャンセリングを補完することにより、外部騒音による不快感を低減することができる耳装着音響再生装置に関する。

従来、使用者の耳に進入する外部騒音を抑制する機能（ノイズキャンセリング）を有するヘッドホンやイヤホン等が知られている（例えば、特許文献１参照）。電気音響によるアクティブノイズキャンセリングは、外部騒音に対して逆位相のキャンセル信号を生成してソース音（オーディオ信号）等に重畳することにより、ヘッドホンやイヤホンを透過して使用者の耳に進入する外部騒音（透過音）を抑制する技術である。

アクティブノイズキャンセリングは、外部騒音の周波数帯域のうち、比較的低域成分（例えば、１００Ｈｚ未満）に対して有効である。これは、低域では波長周期が長いので、制御遅延による位相差の影響が出にくく、精度よく波形を引き算してキャンセルできるためである。これに対して、中高域（例えば、１００Ｈｚ以上）では、低域に比べて波長周期が短く、制御遅延による位相差の影響が出やすくなる。キャンセル信号が外部騒音に対して位相ずれしてしまうと、外部騒音を打ち消すことができずに、むしろ同位相となって外部騒音を増幅してしまう場合もある。

電気音響によるアクティブノイズキャンセリングは、上述のように外部騒音の低域に対して有効であるが、中高域に対しては、例えば、ヘッドホンのイヤーカップやイヤホンのイヤーピースなどによる物理的な遮断が有効である。イヤーカップやイヤーピースなどにより、外部騒音の中高域をある程度抑制することができる。このため、外部騒音のうち中高域をイヤーカップやイヤホンで物理的に抑制し、低域をアクティブノイズキャンセリングで抑制すると言う組み合わせでノイズキャンセルすることが考えられる。

特開２０１３−４２２１８号公報

ところで近年、デジタル信号処理の能力が向上しており、その結果、アクティブノイズキャンセリングによる低域側の抑制が、物理的遮断による中高域側の抑制を上回っている。つまり、外部騒音のうち低域側を抑制するデジタル信号処理性能が向上したことにより、物理的遮断による中高域側の抑制が相対的に低下し、外部騒音のうち中高域が残存している状態となっている。

また、ヒトの聴覚の特性として、低域の音が中高域の聴取をマスキングする効果がある。外部騒音の低域が残存していれば、低域の騒音が中高域の騒音の聴取を妨げることとなり、中高の騒音が聴感上で強調されることはない。しかしながら、上述のようにアクティブノイズキャンセリングによって低域の騒音がほぼ完全に抑制されてしまうことにより、逆に中高域の騒音が聴感上で強調され、不自然且つ不快な音質になる。

この発明は、アクティブノイズキャンセリングを補完することにより、外部騒音による不快感を低減することができる耳装着音響再生装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の側面によって提供される耳装着音響再生装置は、外部音が使用者の外耳道に進入することを抑制する遮音部と、前記遮音部で抑制されずに前記外耳道に透過した透過音を相殺するキャンセル信号と、前記キャンセル信号で相殺されずに残存する残存透過音をマスキングするためのマスキング信号と、を物理振動に変換して出力するスピーカと、を備えた耳装着音響再生装置である。

上記発明において、前記キャンセル信号は低域の前記透過音を相殺する信号であり、前記マスキング信号は、前記残存透過音のうち前記キャンセル信号によって低域を相殺されたことにより耳障りになったと推定される中高域の音声をマスキングする信号であってもよい。

上記発明において、前記外部音を収音し収音信号を出力するマイクと、前記キャンセル信号を生成する第１信号処理部と、前記マスキング信号を生成する第２信号処理部と、を備えてもよい。

上記発明において、前記第２信号処理部は、前記収音信号に基づいて、前記残存透過音の周波数特性を推定する分析部と、前記分析部によって推定された前記残存透過音の周波数特性に基づいて、前記マスキング信号を生成するマスキング信号生成部と、を備えてもよい。

上記発明において、前記マスキング信号生成部は、前記分析部によって推定された前記残存透過音の周波数特性に基づいて、ホワイトノイズに対して特定の周波数特性を付加することにより、前記マスキング信号を生成するようにしてもよい。

上記発明において、ソース音入力部またはソース音再生部をさらに備え、前記ソース音入力部に入力され、または前記ソース再生部によって再生される、ソース音信号の有無、および／または、入力または再生される前記ソース音信号の特性に基づいて、前記マスキング信号の特性および出力の有無が調整されてもよい。

上記発明において、ソース音信号が入力または再生され、かつ、その音量が所定値より大きいと判断した場合、前記マスキング信号を生成しないようにしてもよい。

この発明によれば、アクティブノイズキャンセリングを補完することにより、外部騒音による不快感を低減することができる。

この発明が適用される実施形態１にかかるイヤホンの外観図である。イヤホンの機能を示す模式図である。イヤホンの機能を示すグラフである。イヤホンの機能を示すグラフである。イヤホンの構成を示す図である。

［実施形態１］
図１は、この発明が適用される実施形態１にかかるイヤホン１００の外観図である。イヤホン１００は、いわゆるＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のステレオイヤホンである。イヤホン１００は、音声処理ユニット１１、ケーブル１２、および、イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒを有している。この実施形態のイヤホン１００は、左右のイヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒをつなぐケーブル１２の途中に音声処理ユニット１１が挿入されるような形状を有している。

音声処理ユニット１１は、入力部２５を有している。入力部２５は、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信回路である。入力部２５は、例えば携帯電話機３００とＢｌｕｅｔｏｏｔｈによって通信する。音声処理ユニット１１は、入力部２５を介して、携帯電話機３００からソース音（オーディオ信号）等を受信する。

イヤホンユニット１３Ｌは使用者の左耳に装着され、イヤホンユニット１３Ｒは使用者の右耳に装着されて使用される。イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒは、イヤホン本体１４Ｌ,１４Ｒ、スピーカ１５Ｌ，１５Ｒ、イヤーピース１６を有している。イヤホンユニット１３Ｌには、マイク２１が設けられている。

イヤホン本体１４Ｌ,１４Ｒの内部には空間が形成されており、その空間内にスピーカ１５Ｌ，１５Ｒが配置されている。スピーカ１５Ｌ，１５Ｒは、音声処理ユニット１１から出力された音声を放音する。イヤーピース１６は、使用者の外耳道内に挿入される部分である。スピーカ１５Ｌ，１５Ｒから放音された音声は、イヤーピース１６に形成される孔１６１を通じて使用者の外耳道内に放音される。イヤーピース１６は、外部音が使用者の外耳道に進入することを抑制する耳栓の機能も有する。イヤーピース１６は、本発明の遮音部に相当する。マイク２１は、イヤホン本体１４Ｌに設けられている。マイク２１は、周囲の音（外部音）を収音し、収音信号として音声処理ユニット１１に出力する。

図２は、イヤホン１００の機能を示す模式図である。図２を用いてイヤホン１００の機能について説明する。図２に示すように、イヤホン１００は、スピーカ１５Ｌ，１５Ｒ、イヤーピース１６、第１信号処理部２３、第２信号処理部２４、および入力部２５を備えている。

イヤーピース１６は、外部音５００が外耳道に進入することを抑制する耳栓の機能を有するが、完全に外部音５００を遮断することはできない。イヤーピース１６は、外部音５００のうち中高域については、ある程度物理的に遮断可能であるものの、低域については物理的な遮断は難しい。このため、イヤーピース１６では遮断できずに外耳道に進入する低域の透過音５０１と、イヤーピース１６で遮断しきれずに透過する中高域の透過音５０２が存在する。

そこで、第１信号処理部２３は、マイク２１で収音した外部音５００から低域の透過音５０１をキャンセルする低域透過音キャンセル信号５０３を生成する。生成された低域透過音キャンセル信号５０３は、入力部２５から入力されたソース音５１０に重畳され、これをスピーカ１５Ｌ，１５Ｒから放音することで、外耳道内で低域の透過音５０１をキャンセルしている。

中高域の透過音（残存透過音）５０２は、低域透過音キャンセル信号５０３でキャンセルされない。しかしながら、ソース音５１０がスピーカ１５Ｌ，１５Ｒから出力されている場合には、ソース音５１０の低域部分が中高域の透過音（残存透過音）５０２の聴取を妨げるため、使用者に不快感をもたらすことは少ない。一方、ソース音５１０がスピーカ１５Ｌ，１５Ｒから出力されていない場合には、中高域の透過音（残存透過音）５０２が聴感上で強調されるため、使用者に不快感をもたらす。

このため、スピーカ１５Ｌ，１５Ｒからソース音５１０が出力されない場合等には、第２信号生成部２４は中高域の透過音（残存透過音）５０２の周波数特性に応じたマスキング信号５０５を生成する。スピーカ１５Ｌ，１５Ｒからマスキング信号５０５を放音することで、イヤーピース１６でキャンセルしきれない中高域の透過音（残存透過音）５０２による不快感を低減している。ここで、低域の透過音とは、便宜的に１００Ｈｚ未満の領域とし、中高域の透過音とは、１００Ｈｚ以上の領域とする。なお、低域と中高域を１００Ｈｚで分けたのは説明の便宜のためであり、低域と中高域の境界を１００Ｈｚに限定する意図ではない。

図３および図４は、イヤホン１００の機能を示すグラフである。図３および図４を用いて、イヤホン１００のマスキング信号によって外部騒音をどのようにマスキングするのかを説明する。図３および図４の横軸は対数で表した周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は音量である。

図３のグラフＡは、典型的な路上での外部騒音を示している。車の走行音をはじめとして、低域側の音量が大きくなっている。使用者がイヤーピース１６を外耳道内に挿入すると、物理的な遮蔽効果によって、グラフＢのような周波数―音量特性となる。グラフＢでは、高域ほどイヤーピース１６の物理的な遮蔽効果によって外部騒音が遮蔽されている。一方、低域では、イヤーピース１６の物理的な遮蔽効果が小さいので低域の音量はあまり変化していない。

このように、低域側は物理的な遮蔽効果が小さく、且つ、周波数が低いほど正確なキャンセル波形を作成できるため、低域の騒音をデジタル信号処理によるアクティブノイズキャンセリングで減衰させる。図４のグラフＣは、アクティブノイズキャンセリングをかけた周波数―音量特性を示している。グラフＢと比較して、グラフＣの低域はアクティブノイズキャンセリングによって抑制されているが、中高域は抑制されずにそのまま残っている。ノイズキャンセリングにより、残存する騒音（残存透過音）が不快なものになることがある。ノイズキャンセリングがオフのときには（グラフＢ）、低域によって聴覚マスキングされていた中高域が、ノイズキャンセリングをオンにすることによって（グラフＣ）、低域が抑制されるため、低域によってマスキングされていた中高域が目立つようになる。その理由として、低域成分が少ない暗騒音が自然界に存在しないため、不自然で不快感をもたらすと考えられる。また、残存した騒音の周波数のピークがより聞こえやすくなり、耳につくと考えられる。

残存する騒音（残存透過音）のうち、特に不快に感じられるのは、例えば、狭い周波数領域（もしくは単一周波数）のピーク（倍音列含む）がある騒音である。例えば、グラフＣでは、３００Ｈｚ付近のピークＰ１その倍音成分である６００Ｈｚ付近のピークＰ２、および９００Ｈｚ付近のピークＰ３は、使用者に不快感をもたらす可能性が高い。

そこで、マスキング信号５０５を付与することで、耳元での残存透過音＋マスキング信号の総合特性をグラフＤのようにする。グラフＤでは、抑制されて消えてしまった低域をかさ上げすることにより、聴感上の不自然さを緩和している。また、狭い周波数領域のピーク（ピークＰ１、Ｐ２、Ｐ３）にマスキング信号を被せて広帯域化することで、特定の音が耳につくのを緩和している。

なお、コンテンツ（音楽等）を十分な音量で再生している場合には、コンテンツで残存透過音がマスキングされる。コンテンツの再生がない場合、もしくは、コンテンツの再生が小音量で行われている場合には、マスキング信号を付与する。マスキング信号は、マイクで収音する外部騒音から、残存透過音の周波数特性を推定し、推定した結果に応じて生成する。疑似騒音が付与されると、擬似騒音が耳元で残存透過音と合わさり、聴感を改善する

続いて、図５を参照してイヤホン１００の電気的な構成について説明する。図５は、イヤホン１００の構成を示す図である。イヤホン１００は、上述の音声処理ユニット１１およびイヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒを有している。イヤホン１００の内部において、各種の音声は、特に記載がない場合、全てデジタル信号として処理される。Ａ／Ｄ変換およびＤ／Ａ変換の構成部の記載ならびに説明は省略する。

音声処理ユニット１１は、主に第１信号処理部２３、第２信号処理部２４、および入力部２５を備えている。音声処理ユニット１１は、イヤホン１００の専用ユニットとしたが、例えばスマートフォン等を用いて、各構成を実現することも可能である。

マイク２１で収音された外部音５００（収音信号）は、マイクアンプ２２で増幅されて第１信号処理部２３および第２信号処理部２４に入力される。

入力部２５には、オーディオプレーヤ等からＬ,Ｒチャンネル信号の２チャンネルの楽曲などのオーディオソースの信号（ソース音５１０）（図２参照）が入力される。入力部２５から入力されたソース音５１０は、第２信号処理部２４および加算器２７に入力される。

第１信号処理部２３は、イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒのイヤーピース１６で抑制されずに使用者の外耳道に透過する外部音５００を相殺するキャンセル信号を生成する。第１信号処理部２３で生成するキャンセル信号は、外部音５００のうち低域の透過音５０１（図２参照）を模擬した低域透過音キャンセル信号５０３（図２参照）である。低域透過音キャンセル信号５０３は、イヤーピース１６で遮断しきれなかった外部音成分のうち、低域の透過音５０１の周波数成分若しくは波形の逆位相を模している。低域透過音キャンセル信号５０３は、加算器２７に入力される。加算器２７は、ソース音５１０（図２参照）に対して低域透過音キャンセル信号５０３を加算して、第１信号処理部２３の出力信号としてスピーカアンプ２８を介してスピーカ１５Ｌ，１５Ｒに出力する。これにより、第１信号処理部２３の出力信号は、低域の透過音５０１をキャンセルする信号（低域透過音キャンセル信号５０３）とソース音５１０の合成信号となる。使用者がイヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒでこの音声信号を聴くと、外耳道内に伝達された低域の透過音５０１がキャンセルされた状態でソース音声５１０が聞こえる。

第２信号処理部２４は、上述の低域透過音キャンセル信号５０３でキャンセルされずに残存する中高域の透過音（残存透過音）５０２をマスキングするためのマスキング信号５０５を生成する。第２信号処理部２４は、分析部２４１およびマスキング信号生成部２４２を有している。

分析部２４１は、マイク２１で収音された外部音５００、および入力部２５から入力されたソース音５１０を分析する。外部音５００の分析では、あらかじめ分かっているイヤーピース１６の物理的遮音特性と、第１信号処理部２３で生成される低域透過音キャンセル信号５０３を加味して、使用者に聴取され得る中高域の透過音（残存透過音）５０２の周波数特性が推定される。また、ソース音５１０の分析では、ソース音５１０が入力されているかどうか、入力されているソース音５１０の音量が所定値を越えているかどうか、あるいは、ソース音５１０の周波数特性などが分析される。

マスキング信号生成部２４２は、分析部２４１によって推定された中高域の透過音（残存透過音）５０２の周波数特性に基づいて、マスキング信号５０５を生成する。マスキング信号５０５は、高域帯の（擬似）乱数表であるホワイトノイズを元にして生成される。推定した中高域の透過音（残存透過音）５０２の周波数特性を、滑らかに覆うような周波数特性をホワイトノイズに付加してマスキング信号５０５を生成する。特に、中高域の透過音（残存透過音）５０２が狭い周波数帯域でピークを持つ場合、これを少し広い帯域で覆うような周波数特性をホワイトノイズに付加してマスキング信号５０５を生成する。

ここで、分析部２４１により、ソース音５１０の音量が所定値より大きいと分析された場合には、マスキング信号生成部２４２は、マスキング信号５０５を生成しない。一方、分析部２４１により、ソース音５１０が停止状態であるとか、ソース音５１０が入力されていてもソース音５１０の音量が所定値に達していないなどと分析された場合には、マスキング信号生成部２４２は、マスキング信号５０５を生成する。

以上のように第２信号処理部２４で生成されたマスキング信号５０５は、加算器２７に入力される。加算器２７は、ソース音５１０および低域透過音キャンセル信号５０３にマスキング信号５０５を加算して、音声処理ユニット１１の出力信号としてスピーカアンプ２８を介してスピーカ１５Ｌ，１５Ｒに出力する。これにより、第２信号処理部２４の出力信号は、マスキング信号５０５とソース音５１０の合成信号となる。使用者がイヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒでこの音声信号を聴くと、外耳道内に伝達された中高域の透過音（残存透過音）５０２がマスキング信号５０５でマスキングされ、使用者に聞こえない、または、聞こえていても耳障りでない音になる。

なお、上述の説明では、ソース音５１０が停止状態であるとか、ソース音５１０が入力されていてもソース音５１０の音量が所定値に達していない場合にマスキング信号５０５を生成するとしたが、例えば、ソース音５１０が特定周波数帯域に偏っているような場合にマスキング信号５０５を生成してもよい。例えば、ソース音５１０の種類（英会話、音楽等）に応じて、その周波数特性を加味してマスキング信号５０５を生成し、ソース音５１０自体のマスキング効果を補完するようにしてもよい。

また、マスキング信号５０５が生成され、使用者がマスキング信号５０５でマスキングされた音声を聞いた状態で、使用者がマスキング信号５０５の周波数特性を調整できるようにしてもよい。

以上説明した本発明の耳装着音響再生装置は、上記実施形態に限定されない。第１信号処理部２３、第２信号処理部２４は、ハードウェアとして設けられていてもよいが、スマートフォン等の情報処理装置におけるＣＰＵが所定のプログラムを実行することによりソフトウェアとして実現することも可能である。

イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒと音声処理ユニット１１の接続は、有線接続の態様を示しているが、赤外線等による無線接続であってもよい。

マイク２１の設置位置は、イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒ以外であってもよい。例えば音声処理ユニット１１に設けられていてもよく、イヤホンユニット１３Ｌ，１３Ｒや音声処理ユニット１１の近傍に設けられていてもよい。

この実施形態では、入力部２５を介してソース音を外部から入力しているが、オーディオプレーヤ機能を備え、ソース音を内部で再生できるようにしてもよい。

上記実施形態では、耳装着音響再生装置としてインイヤータイプのイヤホンを例示したが、本発明の耳装着音響再生装置は、ヘッドバンドおよびイヤーパッドを有するいわゆるヘッドホンもその技術的範囲に含んでいる。

１００イヤホン
１６イヤーピース（遮音部）
２１マイク
２３第１信号処理部
２４第２信号処理部
１５Ｌ，１５Ｒスピーカ
５００外部音
５０１透過音
５０２残存透過音
５０３キャンセル信号
５０５マスキング信号

Claims

外部音が使用者の外耳道に進入することを抑制する遮音部と、
前記遮音部で抑制されずに前記外耳道に透過した透過音を相殺するキャンセル信号と、前記キャンセル信号で相殺されずに残存する残存透過音をマスキングするためのマスキング信号と、を物理振動に変換して出力するスピーカと、
を備えた耳装着音響再生装置。
前記キャンセル信号は低域の前記透過音を相殺する信号であり、
前記マスキング信号は、前記残存透過音のうち前記キャンセル信号によって低域を相殺されたことにより耳障りになったと推定される中高域の音声をマスキングする信号である、
請求項１に記載の耳装着音響再生装置。
前記外部音を収音し収音信号を出力するマイクと、
前記キャンセル信号を生成する第１信号処理部と、
前記マスキング信号を生成する第２信号処理部と、
を備えた請求項１または請求項２に記載の耳装着音響再生装置。
前記第２信号処理部は、
前記収音信号に基づいて、前記残存透過音の周波数特性を推定する分析部と、
前記分析部によって推定された前記残存透過音の周波数特性に基づいて、前記マスキング信号を生成するマスキング信号生成部と、
を備えた請求項３に記載の耳装着音響再生装置。
前記マスキング信号生成部は、前記分析部によって推定された前記残存透過音の周波数特性に基づいて、ホワイトノイズに対して特定の周波数特性を付加することにより、前記マスキング信号を生成する、
請求項４に記載の耳装着音響再生装置。
ソース音入力部またはソース音再生部をさらに備え、
前記ソース音入力部に入力され、または前記ソース再生部によって再生される、ソース音信号の有無、および／または、入力または再生される前記ソース音信号の特性に基づいて、前記マスキング信号の特性および出力の有無が調整される、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の耳装着音響再生装置。
ソース音信号が入力または再生され、かつ、その音量が所定値より大きいと判断した場合、前記マスキング信号を生成しない、
請求項６に記載の耳装着音響再生装置。