JP2019036868A - ノイズキャンセル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易な構成で雑音を除去するノイズキャンセル装置を提供する。【解決手段】ノイズキャンセル装置は、音声を変換した電気信号の入力を受け付ける入力端子と、電気信号を出力する出力端子とを結ぶ第１の接続線と、第１の接続線上に配置される第１の抵抗と、第１の接続線において第１の抵抗及び出力端子の間に設けられた第１の接続部から、グランドに接続される第２の接続線と、第２の接続線上に配置される第１のコンデンサと、第１の接続線において第１の接続部と出力端子との間に設けられる第２の接続部から、グランドに接続される第３の接続線と、第３の接続線上に第１のコンデンサと並列して配置される第２の抵抗及び第２のコンデンサとを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、検出装置が検出した音を出力装置から出力する際に雑音を除去するノイズキャンセル装置である。

電話機、録音機、無線機等、検出した音を検出装置が検出した場所とは異なる場所や検出したタイミングとは異なるタイミングで出力する装置が様々利用されている。その他にも、補聴器、マイクロフォン等、検出装置が検出した音の音量を、出力装置で調整して出力する装置も複数存在する。このような状況で問題となるのは、雑音の問題である。

人間の耳は、不要な雑音を無意識に聞かないようにすることができる。しかしながら、検出装置であるマイクロフォン等は、必要な音と不要な雑音を区別することができない。したがって、これらの音検出装置は、音を検出する際に人の声等の必要な音だけでなく、雑音も区別なく同様に検出する。そのため、実際に出力装置であるスピーカ、ヘッドフォン、イヤフォン等からは、音検出装置で検出された必要な音及び雑音等の不要な音が区別なく出力される。人は、このように出力装置から出力される雑音を含む音を聞いて必要な音と雑音とを区別することは困難である。したがって、人は出力装置から出力される音を不快に感じ、必要な情報を得ることができなくなることがある。

これに対し、従来から様々なノイズキャンセルの技術が開発されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。特許文献１では、風雑音を効果的に低減しつつ、風雑音が大きいことによる本来の信号が低下したりSN比が低下してしまうことを軽減するマイクロホン用信号制御回路について記載されている。この特許文献１のマイクロホン用信号制御回路では、4段以上の要素回路を備える複雑な構成でノイズキャンセルを行っている。

特許文献2では、外来雑音が混入するとマイク出力に外来雑音が大きく現れることから、外来雑音の影響を受けにくくしたコンデンサマイク装置について記載されている。この特許文献２のコンデンサマイク装置では、抵抗装置に加え、インピーダンス変換器を備えてノイズキャンセルを実現する。

特許文献３では、オーディオ情報を収集している時、フィルタリング効果が悪く、オーディオデータの品質を保証できないことを解決するためのオーディオノイズリダクション回路について記載されている。この特許文献３のオーディオノイズリダクション回路では、デュアルマイクロフォンアレイで雑音を除去し、ICAアルゴリズムによってブランド音源分析を行う等の複雑な構成で雑音を除去する。

特開２００８−１９３３５２号公報 特開２０１０−１８７２６４号公報 特開２０１６−８２５９４号公報

上述したように、従来の技術では、雑音を除去するために複雑な構成が必要となる。また、従来の技術では、雑音を除去するための装置用に電力を供給する電力供給減を設ける必要がある。

上記課題に鑑み、本発明は、容易な構成で雑音を除去するノイズキャンセル装置に関する。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るノイズキャンセル装置は、音声を変換した電気信号の入力を受け付ける入力端子と、電気信号を出力する出力端子とを結ぶ第１の接続線と、第１の接続線上に配置される第１の抵抗と、第１の接続線において第１の抵抗及び出力端子の間に設けられた第１の接続部から、グランドに接続される第２の接続線と、第２の接続線上に配置される第１のコンデンサと、第１の接続線において第１の接続部と出力端子との間に設けられる第２の接続部から、グランドに接続される第３の接続線と、第３の接続線上に第１のコンデンサと並列して配置される第２の抵抗及び第２のコンデンサとを備える。

本発明の一態様に係るノイズキャンセル装置は、容易な構成で雑音を除去することができる。

本発明の一実施形態に係るノイズキャンセル装置を利用するシステムの概念図である。 本発明の一実施形態に係るノイズキャンセル装置を利用するシステムの概念図である。 本発明のノイズキャンセル装置の構成を示す回路図である。 本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの構成および特性パターンを示す概念図である。 従来の指向性マイクの信号波形および本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの信号波形を示したグラフである。 本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの構造を示す構成図である。 本発明のノイズキャンセル装置をパッケージ化したものを示す概念図である。

以下に、図面を用いて本発明の実施形態に係るノイズキャンセル装置について説明する。実施形態に係るノイズキャンセル装置は、例えば、マイクロフォン等の検出装置で検出した電気信号が入力されると、入力された電気信号に含まれる雑音（ノイズ）をキャンセルし、スピーカ、ヘッドフォン、イヤフォン等の出力装置に出力するものである。これにより、出力装置からは、雑音が除去された音が出力される。

図１は、実施形態に係るノイズキャンセル装置を備えるシステムの一例を表わす概念図である。図１に示すように、ノイズキャンセル装置１は、入力装置であるスタンドマイク等のマイクロフォン２と、出力装置であるスピーカ３とを接続線４で接続されるシステムにおいて、利用することができる。具体的には、マイクロフォン２とスピーカ３を接続線４で接続する間にノイズキャンセル装置１が配置される。会議等で音声を拡声する際、発言者であるユーザは、マイクロフォン２に向かって発言する。これにより、マイクロフォン２では、ユーザの発言の音声に加え、雑音を含む音を、電気信号に変換する。マイクロフォン２から接続線４を介してスピーカ３に電気信号を伝達する間、ノイズキャンセル装置１において、電気信号に含まれる雑音が除去される。したがって、スピーカ３からは、雑音が除去されたユーザの発言の音声のみが出力される。図１に示すシステムは、テレビ会議を含む会議で利用する他、オンライン通話での利用、管制塔から航空機に指示する際の管制官の利用等、様々な分野で利用可能である。

また、図２は、実施形態に係るノイズキャンセル装置を備えるシステムの他の例を表わす概念図である。図２に示すように、ノイズキャンセル装置１は、入力装置であるマイクロフォン２ａ，２ｂと、出力装置であるイヤフォン３ａ，３ｂと、通信装置５ａ，５ｂを備えるヘルメット６ａ，６ｂを複数有するシステムにおいて、利用することができる。このシステムでも、マイクロフォン２ａとイヤフォン３ａの間にノイズキャンセル装置１が配置される。また、マイクロフォン２ｂとイヤフォン３ｂの間にノイズキャンセル装置１が配置される。そして、第１のヘルメット６ａが備える通信装置５ａと第２のヘルメット６ｂが備える通信装置５ｂとは、互いにネットワーク７を介してデータを送受信することができる。

例えば、図２に示すシステムは、建設現場、工事現場等で、作業者であるユーザ２０ａ，２０ｂにヘルメット６ａ，６ｂが装着され、ユーザ２０ａ，２０ｂ同士が会話をする際に利用される。建設現場等の環境は、騒音が発生していることが多い。また、離れた場所に存在するユーザ２０ａ，２０ｂ同士が会話をすることもある。このような状況において、ヘルメット６ａを装着するユーザ２０ａが発言すると、マイクロフォン２ａは、ユーザ２０ａの発言の音声に加え、周囲の雑音を含む音を電気信号に変換する。そして、マイクロフォン２ａから通信装置５ａに電気信号を伝達する間、ノイズキャンセル装置１において、電気信号に含まれる雑音が除去される。したがって、通信装置５ａは、ネットワーク７を介して雑音が除去されたユーザ２０ａの発言の音声のみを通信装置５ｂに送信する。これにより、ヘルメット６ｂを装着するユーザ２０ｂは、イヤフォン３ｂから、ユーザ２０ａの発言のみを聞くことができる。

同様に、ユーザ２０ｂが発言すると、マイクロフォン２ｂは、ユーザ２０ｂの発言の音声に加え、周囲の雑音を含む音を電気信号に変換する。そして、マイクロフォン２ｂから通信装置５ｂに電気信号を伝達する間、ノイズキャンセル装置１において、電気信号に含まれる雑音が除去される。したがって、通信装置５ｂは、ネットワーク７を介して雑音が除去されたユーザ２０ｂの発言の音声のみを通信装置５ａに送信する。これにより、ユーザ２０ａは、イヤフォン３ａから、ユーザ２０ｂの発言のみを聞くことができる。したがって、ユーザ２０ａ，２０ｂは、騒音が発生する環境下においても、相手の発言を聞き損ねることなく、会話を成立させることができる。このとき、イヤフォン３ａ，３ｂとして骨伝導のイヤフォンを使用することで、騒音環境下であってもユーザ２０ａ，２０ｂは、より相手の発言が聞きやすくなる。

〈ノイズキャンセル装置〉
図３を用いて、実施形態に係るノイズキャンセル装置１について説明する。ノイズキャンセル装置１は、２つの抵抗とコンデンサを備える。具体的には、図３に示すように、ノイズキャンセル装置１は、第１の接続線Ｌ１、第２の接続線Ｌ２、及び、第３の接続線Ｌ３を備える。また、ノイズキャンセル装置１は、第１及び第２の抵抗Ｒ１，Ｒ２と、第１及び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２とを備える。

第１の接続線Ｌ１は、音声を変換した電気信号の入力を受け付ける入力端子Ｔ０と、電気信号を出力する出力端子Ｔ１とを結ぶものである。入力端子Ｔ０は、図１及び図２を用いて上述したようなマイクロフォン等の入力装置と接続され、この入力装置から電気信号が入力される。出力端子Ｔ１は、図１及び図２を用いて上述したようなスピーカやイヤフォン等の出力装置と接続され、この出力装置に電気信号を出力する。

第１の抵抗Ｒ１は、第１の接続線Ｌ１上に配置される。

第２の接続線Ｌ２は、第１の接続線Ｌ１において第１の抵抗Ｒ１及び出力端子Ｔ１の間に設けられた第１の接続部Ｐ１とグランドとを結ぶものである。

第１のコンデンサＣ１は、第２の接続線Ｌ２上に配置される。

第３の接続線Ｌ３は、第１の接続線Ｌ１において第１の接続部Ｐ１及び出力端子Ｔ１との間に設けられる第２の接続部Ｐ２と、グランドとを結ぶものである。

第２の抵抗Ｒ２及び第２のコンデンサＣ２は、第３の接続線Ｌ３上に第１のコンデンサＣ１と並列して配置される。ここで、第２の抵抗Ｒ２は、第２の接続部Ｐ２と第２のコンデンサＣ２との間に配置される。

ここで、ノイズキャンセル装置１の入力端子Ｔ０と接続される入力装置は、単一指向性のコンデンサマイクである。また、入力端子Ｔ０と接続されるコンデンサマイクは、プラグインパワー方式の装置である。したがって、コンデンサマイクには、出力端子Ｔ１と接続される出力装置から電力が供給される。

図４は、本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの構成および特性パターンを示す概念図である。図４（ａ）に示すように、単一指向性構造のマイクは、振動板の背面側にも音の通り道として穴が設けられている。後方で発生した音は、まずこの穴から入って振動板の裏側に届く。また、同じ音は周り込んで振動板の表側にも届く。この音は振動板の表と裏で同時に生じた同量のエネルギーとして相殺され、電気出力にはならない。一方、前方で発生した音は、まず先に振動板の表側に伝わる。裏側への周り込みは障害物によって到達が遅くなる。この時間差によってエネルギーは相殺されずに電気出力となる。しかしながら、この方法だけでは周りの雑音を無くすことはできず、約２０ｄｂ程度しか相殺されない。この方法での実験では、電車のガード下、パチンコ屋のホールなどの大騒音下では、音声認識率は低く、もしくは音声認識ができなかった。本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクでは、振動板の共振特性を損なうことなく、近傍音を効果的に取り出すことができ、結果的に周囲の雑音を減衰させることが可能となる。

図５は、従来の指向性マイクの信号波形および本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの信号波形を示したグラフである。本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクでは、マイクに入力される話者の声を最大レベル（１００ｄＢ以上、マイクに限りなく近づいて話す）で使用するのが最適である。ここで、この方式はＦＥＴの供給電流を下げている（通常５００μＡ→９０μＡ）ので、通常時より約３０ｄｂ程度のゲインを下げているので１４０ｄｂＳＰＬ程度までは歪まない。当然、フロアーノイズ＋バックノイズは下がってＳ／Ｎ比は大きくなる。従来は、マイクゲインを下げたい場合は最大入力で歪みが発生し、バックノイズも混入していた。

図６は、本発明のノイズキャンセル装置を利用する指向性マイクの構造を示す構成図である。円筒状のアルミ筐体内に、エレクトレット材ＦＥＴ（四フッ化エチレン六フッ化プロピレンの共重合体）で固定電極上に張り付けられている。出力インピーダンスが極めて高いため、直下に、インピーダンス変換素子（ＦＥＴ）を有しているものが一般的である。本実施例では、インピーダンス変換素子の裏面（ＥＣＭの端子側）に回路を設け直接部品を実装した、一体型のノイズキャンセルマイクロフォン素子を作成することができる。これにより、従来のマイクロフォン筐体の変更や追加部品なしで組み込むことができ、ノイズキャンセルマイクロフォンの開発コストを大幅に低減することが可能となる。

なお、図６に示したように、ノイズキャンセル装置を回路基板にとして直接実装することもできるが、図７に示すように、本発明のノイズキャンセル装置をパッケージ化したものを実装することも可能である。これによれば、本発明のノイズキャンセル装置の汎用性を高めることができる。

ノイズキャンセル装置１が単一指向性のコンデンサマイクと接続される場合、第１の抵抗Ｒ１の値は、４．５〜４．９ＫΩ程度であり、第２の抵抗Ｒ２の値は、６７０〜６９０Ω程度であり、第１のコンデンサＣ１の値は２１０〜２３０ＰＦ程度であり、第２のコンデンサＣ２の値は０．８〜１．２μＦ程度である。

より好ましくは、第１の抵抗Ｒ１の値は、４．７ＫΩであり、第２の抵抗Ｒ２の値は、６８０Ωであり、第１のコンデンサＣ１の値は２２０ＰＦであり、第２のコンデンサＣ２の値は１μＦである。これらの値は、入力装置として接続されるコンデンサマイクのインピーダンスの値（約２ＫΩ）及び出力端子Ｔ１から供給される電力に依存して決められる。

上述したように、実施形態に係るノイズキャンセル装置１は、２つの抵抗及び２つのコンデンサを備える容易な回路構成のみで実現することができる。また、ノイズキャンセル装置１は、バッテリー等の電源も不要であるため、コンパクトに構成することができる。したがって、ノイズキャンセル装置１は、容易及び小型な構成で実現することができる。

図１では、入力装置であるスタンド型のマイクロフォン２と、出力装置であるスピーカ３と接続されるシステムでノイズキャンセル装置１を使用する一例を説明した。また、図２では、ヘルメット６ａ，６ｂにそれぞれ入力装置であるマイクロフォン２ａ，２ｂ、イヤフォン３ａ．３ｂ及び通信装置５ａ，５ｂが備えられるシステムでノイズキャンセル装置１を使用する一例を説明した。しかし、その使用例はこれに限られない。

例えば、入力装置であるマイクロフォンと出力装置であるイヤフォンを首に掛けることが可能なネックセット型のシステムでノイズキャンセル装置１を備えてもよい。ネックセット型にすることで、軽量かつ両手をふさぐことなく使用可能となるため、救急隊による救急車内等での利用等、移動や立作業をしながらの利用が可能となる。同様に、入力装置であるマイクロフォンと出力装置であるイヤフォンを耳に掛けることが可能な耳掛け型のシステムでノイズキャンセル装置１を備えてもよい。耳掛け型の場合もネックセット型と同様に、軽量かつ両手をふさぐことなく使用可能となるため、コールセンターにおけるオペレータの利用、イベント会場における係員等の利用が可能となる。

さらに、トランシーバー等において入力装置と出力装置の間にノイズキャンセル装置１を接続してもよい。トランシーバーは、騒音が入る環境下で使用されることも多く、相手の声が聞こえにくいこともあるが、これにより騒音環境下でも相手の声が聞こえにくい問題が改善できる。また、入力装置や出力装置を備える携帯電話機、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等とノイズキャンセル装置１を接続してもよい。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１ ノイズキャンセル装置
２ マイクロフォン
２０ａ，２０ｂ ユーザ
２ａ，２ｂ マイクロフォン
３ スピーカ
３ａ，３ｂ イヤフォン
４ 接続線
５ａ，５ｂ 通信装置
６ａ，６ｂ ヘルメット
７ ネットワーク
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
Ｌ１ 第１の接続線
Ｌ２ 第２の接続線
Ｌ３ 第３の接続線
Ｐ１ 第１の接続部
Ｐ２ 第２の接続部
Ｒ１ 第１の抵抗
Ｒ２ 第２の抵抗
Ｔ０ 入力端子
Ｔ１ 出力端子

Claims (3)

1. 音声を変換した電気信号の入力を受け付ける入力端子と、電気信号を出力する出力端子とを結ぶ第１の接続線と、
   前記第１の接続線上に配置される第１の抵抗と、
   前記第１の接続線において前記第１の抵抗及び前記出力端子の間に設けられた第１の接続部から、グランドに接続される第２の接続線と、
   前記第２の接続線上に配置される第１のコンデンサと、
   前記第１の接続線において前記第１の接続部と前記出力端子との間に設けられる第２の接続部から、グランドに接続される第３の接続線と、
   前記第３の接続線上に前記第１のコンデンサと並列して配置される第２の抵抗及び第２のコンデンサと、を備える、ノイズキャンセル装置。
2. 前記第２の抵抗は、前記第２の接続部と前記第２のコンデンサＣ２との間に配置される、請求項１に記載のノイズキャンセル装置。
3. 単一指向性のコンデンサマイクで検出される音から雑音を除去するノイズキャンセル装置であって、
   前記第１の抵抗の値は、４．５〜４．９ＫΩの範囲であり、
   前記第２の抵抗の値は、６７０〜６９０Ωの範囲であり、
   前記第１のコンデンサの値は２１０〜２３０ＰＦの範囲であり、
   前記第２のコンデンサの値は０．８〜１．２μＦの範囲である、請求項１又は２に記載のノイズキャンセル装置。

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