JP2019087867A - 音響出力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装用時に周辺音とともに目的音を聴く場合に、目的音の聴取性が低下するのを抑える。【解決手段】イヤホン１０ａは、ユーザーの周辺音を収音するマイク１１０と、マイク１１０の収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザー１１６と、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカー１４０と、スピーカー１４０近傍の音を収音するマイク１５０と、マイク１５０の収音に基づく第２信号の逆相信号を生成する逆相信号生成回路１５６と、目的音信号の供給状態に基づく係数αを、逆相信号に乗算する乗算器１５９と、目的音信号と、乗算器１５９による乗算信号と、イコライザー１１６による出力信号とを加算してスピーカー１４０に向けて出力する加算器１３０と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば音響出力装置に関する。

イヤホンやヘッドホンなどの音響出力装置において、ヒアスルーの機能を持たせたい、という要望がある。ヒアスルーとは、ユーザーが音響出力装置を装用していても、あたかも非装用であるかのように周辺音を聴くことができる機能をいう（例えば特許文献１参照）。

特表２０１５−５３７４６５号公報

ところで、ユーザーが音響出力装置を装用し、周辺音とともに音楽プレーヤなどの外部端末から供給される目的の音（以下、「目的音」と称呼する）を聴く場合に、目的音の聴取性が低下することがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、音響出力装置を装用して、周辺音とともに目的音を聴く場合に、目的音の聴取性が低下するのを抑える技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る音響出力装置は、ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を生成する逆相信号生成回路と、目的音を示す目的音信号の供給状態に基づく係数を、前記逆相信号に乗算する乗算器と、前記目的音信号と、前記乗算器による乗算信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、を含む。

第１実施形態に係るイヤホンの構成を示すブロック図である。 処理回路による係数の変化例を示す図である。 処理回路による係数の変化例を示す図である。 イヤホンの構造を示す図である。 イヤホンの装用状態を示す図である。 第２実施形態に係るイヤホンの構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係るイヤホンの構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係るヘッドホンを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る音響出力装置の一例であるイヤホン１０ａの構成を示すブロック図である。この図に示されるように、イヤホン１０ａは、マイク１１０、１５０、アンプ１１２、１３４、１５２、ＡＤＣ１１４、１５４、イコライザー１１６、ＩＦ１２２、加算器１３０、ＤＡＣ１３２、スピーカー１４０、逆相信号生成回路１５６および乗算器１５９を含む。なお、イヤホン１０ａがユーザーに装用されたとき、スピーカー１４０の放音方向が、当該ユーザーの外耳道に向かう方向に配置され、マイク１５０は、スピーカー１４０の放音方向であって、外耳道と音響結合された空間に配置される。

マイク１１０（第１マイク）は、イヤホン１０ａを装用するユーザーの周辺音を収音する。アンプ１１２は、マイク１１０により収音された信号（第１信号）を増幅し、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１１４は、アンプ１１２による増幅された信号をデジタル信号に変換する。
イコライザー１１６は、ＡＤＣ１１４の出力信号に補正処理を、例えば、イヤホン１０ａの装用時における遮音によって損失する特性を予め補償する処理を施し、当該処理を施した信号を加算器１３０における第１入力端に供給する。

ＩＦ（InterFace）１２２は、外部端末２００から無線により信号を受信するインターフェイスである。ＩＦ１２２が受信する信号は、外部端末２００で再生された信号、すなわちユーザーに聴かせる音（目的音）の目的音信号である。ＩＦ１２２によって受信された目的音信号は、加算器１３０における第２入力端に供給される。
なお、目的音信号は、例えば外部端末２００で再生された音楽信号である。また、ＩＦ１２２は、目的音信号を無線ではなく有線で受信する構成としても良い。

処理回路１２４は、外部端末２００から通知される状態信号により、当該外部端末２００が再生状態であるのか停止状態であるのかを認識して、当該状態に応じて係数αを生成し、乗算器１５９に供給する。
具体的には、処理回路１２４は、状態信号により、外部端末２００が停止状態から再生状態に変化したと認識したとき、例えば図２に示されるように、係数αを「０」から時間Ｔｕをかけて「１」まで滑らかに変化させる。このため、外部端末２００が停止状態から再生状態になって時間Ｔｕが経過した後であれば、係数αは「１」となる。

一方、処理回路１２４は、状態信号により、外部端末２００が再生状態から停止状態に変化したと認識したとき、例えば図３に示されるように、係数αを「１」から時間Ｔｄをかけて「０」まで滑らかに変化させる。このため、外部端末２００が再生状態から停止状態になって時間Ｔｄが経過した後であれば、係数αが「０」となる。

なお、外部端末２００が例えばＰＣ（Personal Computer）などであって、音楽等をアプリケーションプログラムの実行によって再生して目的音信号を出力する構成であれば、処理回路１２４と外部端末２００とは、一体化された当該ＰＣとなる。
また、時間ＴｕおよびＴｄについては、短過ぎると、ユーザーに異音として認識されるので、それぞれ１ミリ秒以上であることが好ましい。

加算器１３０は、第１入力端、第２入力端および第３入力端のそれぞれに供給された信号同士を加算して、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１３２に供給する。ＤＡＣ１３２は、加算器１３０によって加算された信号をアナログに変換し、アンプ１３４は、ＤＡＣ１３２により変換された信号を増幅する。スピーカー１４０は、アンプ１３４により増幅された信号を空気の振動、すなわち音に変換して出力する。

マイク１５０（第２マイク）は、スピーカー１４０の近傍に設けられて、当該スピーカー１４０から出力された音などを収音する。アンプ１５２は、マイク１５０により収音された信号（第２信号）を増幅し、ＡＤＣ１５４は、アンプ１５２により増幅された信号をデジタル信号に変換して、逆相信号生成回路１５６に供給する。

逆相信号生成回路１５６は、ＡＤＣ１５４からの出力信号の位相を反転させた関係にあって、音量（振幅）がほぼ等しい逆相信号を、周波数、振幅および位相を調整して生成する。なお、逆相信号生成回路１５６は、生成する逆相信号については、内蔵されたローパスフィルターによって例えば周波数が２００Ｈｚ以下の成分に制限している。

乗算器１５９は、逆相信号生成回路１５６による逆相信号に係数αを乗算し、当該乗算の結果である乗算信号を加算器１３０における第３入力端に供給する。
なお、図１において、例えばイコライザー１１６、加算器１３０、逆相信号生成回路１５６および乗算器１５９は、例えば１または２以上のチップで集積したＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成すると、省スペース化を図ることができる。

図４は、イヤホン１０ａの構造を示す図である。
この図に示されるようにイヤホン１０ａは、例えばカナル型であり、ハウジング（筐体）１６０およびイヤーピース１８０を含む。
ハウジング１６０は、概略筒状である。ハウジング１６０の内部空間には、スピーカー１４０、マイク１１０および１５０が設けられる。詳細には、ハウジング１６０の内部空間を区画するようにスピーカー１４０が取り付けられ、当該スピーカー１４０の放音面は、外耳道に向かう方向となっている。
マイク１５０は、ハウジング１６０の内部空間のうち、スピーカー１４０が放音される空間、例えば、スピーカー１４０で区画される空間のうち、外耳道寄り（図において右側）に取り付けられる。
なお、ハウジング１６０には、装用時において、スピーカー１４０で区画される内部空間のうち、外耳道寄り空間を、外部と通気させる通気孔１６８が１または複数設けられる。
一方、マイク１１０は、スピーカー１４０で区画される内部空間のうち、外耳道とは反対側の空間において反対側に設けられる。

イヤーピース１８０は、ポリビニルやスポンジなどの弾力性を有する素材により、開口部１８６で開口する中空の砲弾形に成形されて、ハウジング１６０の外耳道側に対し着脱自在となっている。イヤーピース１８０がハウジング１６０に取り付けられた状態では、開口部１８６がハウジング１６０の内部空間に連通する。

なお、図１で示したイヤホン１０ａの構成する要素のうち、マイク１１０、１５０およびスピーカー１４０以外の要素については、ハウジング１６０の内部空間、例えばマイク１１０の近傍に設けられるが、図４では省略されている。

図５は、イヤホン１０ａの装用状態を示す図であり、詳細には、イヤホン１０ａがユーザーＷの右耳に装用された状態を示す図である。この図に示されるように、イヤホン１０ａのイヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される。詳細には、開口部１８６が鼓膜３１２に向かう方向に、イヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される一方で、ハウジング１６０の一部が外耳道３１４から露出した状態となる。

次に、イヤホン１０ａの動作について説明する。まず、外部端末２００が再生状態である場合について説明する。
外部端末２００が停止状態から再生状態に変化して時間Ｔｕ経過した後では、係数αが「１」である。図５に示されるようにイヤホン１０ａがユーザーＷに装用された場合に、スピーカー１４０は、加算器１３０による加算信号、詳細には、マイク１１０で収音された周辺音の信号と、外部端末２００から供給された目的音信号と、係数αとして「１」が乗算された逆相信号との加算信号に基づいて発音する。

逆相信号生成回路１５６では、マイク１５０で収音された信号のうち、周波数が２００Ｈｚ以下の成分の逆相信号を出力する。このため、スピーカー１４０が当該加算信号に基づいて発音した場合、周辺音の信号のうち、周波数が２００Ｈｚ以下の成分が抑圧された状態で鼓膜３１２に到達する。なお、当該逆相信号によって抑圧される周辺音としては、例えば、送風音やエンジンなどの機械音、走行音などが挙げられる。

このように、イヤホン１０ａを装用したユーザーは、外部端末２００が目的音信号の再生状態であれば、周辺音のうち、低い周波数成分のノイズがキャンセルされた状態で知覚する。したがって、イヤホン１０ａによれば、目的音信号に基づく音の低域部分、特にリズム音が、周辺音によってマスクされることがないので、目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができる。

イヤホン１０ａが装用されていない場合、ユーザーＷは、音を、外耳道３１４（空気）を介し鼓膜３１２を振動させて聴覚神経に伝わる気導音と、振動が皮膚や骨等を伝わり直接聴覚神経に伝わる骨伝導音との合算により知覚する。なお、骨伝導音には、自己の声帯の振動が骨等を介して聴覚神経に伝達することで知覚される自声音が含まれる。
一方、イヤホン１０ａがユーザーＷに装用された場合、当該ユーザーＷの外耳道３１４は、イヤーピース１８０により閉塞または遮音されるので、スピーカー１４０から発せられる音と、通気孔１６８を介して外耳道３１４に漏れ入る音と、骨伝導音との合算で音を知覚する。
イヤホン１０ａの装用時においてスピーカー１４０から発せられる音は、外耳道３１４の閉塞・遮音によって、イヤホン１０ａの非装用時とは異なる伝達特性、具体的には、ある帯域成分が損失した状態で鼓膜３１２に到達する。ただし、マイク１１０で収音された周辺音の信号は、イコライザー１１６による補償処理によって、装用時にイヤーピース１８０による閉塞・遮音による損失が予め補償されているので、ユーザーＷは、スピーカー１４０から発せられる音のうち、周辺音については、イヤホン１０ａが非装用であるかのごとく、自然な感じで知覚することができる。

外部端末２００が停止状態である場合におけるイヤホン１０ａの動作について説明する。
外部端末２００が再生状態から停止状態に変化して時間Ｔｄ経過した後では、係数αが「０」となる。また、目的音信号も外部端末２００から供給されない。このため、図５に示されるようにイヤホン１０ａがユーザーＷに装用された場合に、外部端末２００が停止状態であれば、マイク１１０で収音された周辺音の信号に基づく音のみが、スピーカー１４０から発せられる。
マイク１１０で収音された周辺音の信号は、イコライザー１１６による補償処理によって、イヤーピース１８０による閉塞・遮音による損失が予め補償されているので、再生状態と同様に、ユーザーＷは、スピーカー１４０から発せられる周辺音については、イヤホン１０ａが非装用であるかのごとく、自然な感じで知覚することができる。

外部端末２００が停止状態から再生状態に変化した直後におけるイヤホン１０ａの動作について説明する。
停止状態から再生状態に変化した場合、処理回路１２４は、係数αを「０」から「１」まで、図２に示されるように滑らかに変化させる。
このため、加算器１３０における第３入力端に供給される乗算信号の振幅は、急激に大きくならない。したがって、イヤホン１０ａによれば、外部端末２００が再生状態となったとき、ノイズのキャンセル動作が開始したことに伴う異音を、ユーザーが認識してしまうのを防止することができる。

外部端末２００が再生状態から停止状態に変化した直後において、処理回路１２４は、係数αを「１」から「０」まで、図３に示されるように滑らかに変化させる。このため、加算器１３０における第３入力端に供給される乗算信号の振幅は、急激にゼロとはならない。したがって、イヤホン１０ａによれば、外部端末２００が停止状態となったとき、ノイズのキャンセル動作が停止したことに伴う異音をユーザーが認識しまうのを防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係るイヤホン１０ｂの構成を示すブロック図である。
この図に示されるように、イヤホン１０ｂは、外部端末２００の状態を検出する処理回路１２４を内蔵した構成となっている。
第２実施形態において、処理回路１２４は、ＩＦ１２２によって受信された目的音信号の音量（または音量時間平均値）がしきい値未満であるときに、外部端末２００が停止状態であると判別し、目的音信号の音量（または音量時間平均値）がしきい値以上であるときに、外部端末２００が再生状態であると判別する。処理回路１２４は、停止状態から再生状態に変化したとき、係数αを「０」から時間Ｔｕをかけて「１」まで滑らかに変化させる点、および、再生状態から停止状態に変化したとき、係数αを「１」から時間Ｔｄをかけて「０」まで滑らかに変化させる点については、第１実施形態と同様である。

なお、図６において、処理回路１２４は、例えばイコライザー１１６、加算器１３０、逆相信号生成回路１５６および乗算器１５９とともに、１または２以上のチップのＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成されても良い。

第２実施形態に係るイヤホン１０ｂによれば、装用時において、外部端末２００が再生状態であると判別されれば、ユーザーに目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができ、外部端末２００が停止状態であると判別されれば、周辺音について、非装用であるかのごとく、ユーザーに自然な感じで知覚させることができる。
また、イヤホン１０ｂによれば、外部端末２００が停止状態から再生状態に変化したときに、および、再生状態から停止状態に変化したときに、異音をユーザーが認識してしまうのを、外部端末２００から状態信号の通知を受けることなく、防止することができる。

第２実施形態において、処理回路１２４では、外部端末２００が停止状態と判別する際に用いる音量のしきい値が、外部端末２００が再生状態と判別する際に用いる音量のしきい値より小さく設定して、停止状態または再生状態の判別にヒステリシス特性を持たせても良い。

＜第３実施形態＞
続いて、第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係るイヤホン１０ｃの構成を示すブロック図である。
この図に示されるように、イヤホン１０ｃは、第２実施形態と同様に、外部端末２００の状態を検出する処理回路１２４を内蔵するほか、ＩＦ１２３を有する構成となっている。

第３実施形態において、外部端末２００は、自身が再生状態であるのか停止状態であるのかを示す状態信号を例えば無線にて送信し、ＩＦ１２３が当該状態信号を受信する。
処理回路１２４は、ＩＦ１２３で受信された状態信号により、外部端末２００が再生状態であるのか停止状態であるのかを認識して、当該状態に応じて係数αを生成し、乗算器１５９に供給する。
なお、第３実施形態では、外部端末２００が状態信号を無線ではなく有線で受信する構成としても良い。

第３実施形態に係るイヤホン１０ｃによれば、外部端末２００が再生状態であれば、ユーザーに目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができ、停止状態であれば、周辺音について、非装用であるかのごとく、ユーザーに自然な感じで知覚させることができる。また、イヤホン１０ｃによれば、外部端末２００の状態が変化したときに、異音をユーザーが認識してしまうのを、防止することができる。

なお、第１、第２および第３実施形態では、イヤホン１０ａ、１０ｂまたは１０ｃが右耳に装用される場合を例にとって説明したが、左耳に装用されても良い。また、同じ構成のイヤホン１０ａ（１０ｂ、１０ｃ）を２個用意して、右耳に一方を、左耳に他方をそれぞれ装用させるとともに、左耳に装用されるイヤホン１０ａ（１０ｂまたは１０ｃ）にステレオの左信号が、右耳に装用されるイヤホン１０ａ（１０ｂまたは１０ｃ）にステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される構成としても良い。

また、第１、第２および第３実施形態において、係数αが「０」であれば、逆相信号生成回路１５６が逆相信号の生成を停止させる構成として、低消費電力化を図っても良い。

＜第４実施形態＞
上述した実施形態では、音響出力装置としてイヤホン１０ａ、１０ｂおよび１０ｃを例示したが、ヘッドホンとしても適用可能である。

図８は、第４実施形態に係る音響出力装置の一例であるヘッドホン１の構成を示す図である。
この図に示されるように、ヘッドホン１は、ヘッドホンユニット１０Ｌ、１０Ｒと、ヘッドバンド３と、アーム４Ｌおよび４Ｒと、を含む。ヘッドバンド３は、弾力性を備える金属または樹脂などにより、長手方向に円弧を描く形状となっている。ヘッドバンド３の両端のうち、一端側（図において左側）には、アーム４Ｌを介して、左耳用のヘッドホンユニット１０Ｌが取り付けられ、他端側（図において右側）には、アーム４Ｒを介して、右耳用のヘッドホンユニット１０Ｒが取り付けられている。

ヘッドホンユニット１０Ｌは、略円筒形状のハウジング１６０と、当該ハウジング１６０に取り付けられたイヤーパッド１８２とを有する。また、ヘッドホンユニット１０Ｌの電気的な構成については、上述したイヤホン１０ａ、１０ｂまたは１０ｃのいずれかと同一であり、それぞれマイク１１０、１５０とスピーカー１４０とを備える。
ヘッドホンユニット１０Ｒについては、ヘッドホンユニット１０Ｌとほぼ同様な構成となっている。
なお、ヘッドホンユニット１０Ｌにはステレオの左信号が、また、ヘッドホンユニット１０Ｒにはステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される。

ヘッドホン１を装用する場合、ユーザーは、ヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒを持ってヘッドバンド３の円弧を広げつつ、ヘッドホンユニット１０Ｌのイヤーパッド１８２を左耳に、ヘッドホンユニット１０Ｒのイヤーパッド１８２を右耳に、にそれぞれ被せる。ヘッドバンド３には、その弾力性によって、当該ヘッドバンド３の端部同士を近づけようとする復元力が発生する。このため、ヘッドバンド３の端部に位置するヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒは、装用時においてユーザーの頭部に側圧を与える。この側圧によって、ヘッドホン１は所定の位置で保持される。

ヘッドホン１がユーザーに装用された状態では、イヤーパッド１８２によって耳が遮蔽された状態となる。音の伝達については、イヤホン１０ａ、１０ｂまたは１０ｃとほぼ同様となる。
このため、ヘッドホン１によれば、外部端末２００が再生状態であれば、ユーザーにステレオである目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができ、停止状態であれば、周辺音について、非装用であるかのごとく、ユーザーに自然な感じで知覚させることができる。また、ヘッドホン１によれば、外部端末２００の状態が変化したときに、異音をユーザーが認識してしまうのを、防止することができる。

＜応用例・変形例＞
なお、第１実施形態等では、係数αが、図２または図３に示されるように滑らかに変化する構成であったが、異音を感じさせない程度に、段階的に変化する構成でも良い。

＜付記＞
上述した第１実施形態等から、例えば以下のような態様が把握される。

＜態様１＞
本発明の好適な態様１に係る音響出力装置は、ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を生成する逆相信号生成回路と、目的音を示す目的音信号の供給状態に基づく係数を、前記逆相信号に乗算する乗算器と、前記目的音信号と、前記乗算器による乗算信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、を含む。
態様１に係る音響出力装置によれば、を装用して、周辺音とともに目的音を聴く場合に、目的音の聴取性が低下するのを抑えることができる。

＜態様２＞
態様２に係る音響出力装置は、態様１に係る音響出力装置において、前記目的音信号の出力が停止されたとき、前記係数が小さくなり、前記目的音信号が出力されたとき、前記係数が大きくなる。
態様２に係る音響出力装置によれば、目的音信号の出力または停止の切り替え時にユーザーが異音を認識しまうのを防止することができる。

＜態様３＞
態様３に係る音響出力装置は、態様１に係る音響出力装置において、前記目的音信号の音量レベルがしきい値未満になったとき、前記係数を小さくし、前記目的音信号の音量レベルがしきい値以上になったとき、前記係数を大きくする処理回路を有する。
態様３に係る音響出力装置によれば、目的音信号の音量レベルに応じて係数を変化させるので、外部端末２００からの通知を受ける構成を不要とした上で、目的音信号の出力または停止の切り替え時にユーザーが異音を認識しまうのを防止することができる。

１…ヘッドホン、１０ａ、１０ｂ…イヤホン、１１０…マイク（第１マイク）、１１６…イコライザー、１２４…処理回路、１３０…加算器、１４０…スピーカー、１５０…マイク（第２マイク）、１５６…逆相信号生成回路、１５９…乗算器、２００…外部端末。

Claims (3)

1. ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、
   前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、
   ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、
   前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、
   前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を生成する逆相信号生成回路と、
   目的音を示す目的音信号の供給状態に基づく係数を、前記逆相信号に乗算する乗算器と、
   前記目的音信号と、前記乗算器による乗算信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、
   を含む音響出力装置。
2. 前記目的音信号の出力が停止されたとき、前記係数が小さくなり、
   前記目的音信号が出力されたとき、前記係数が大きくなる、
   請求項１に記載の音響出力装置。
3. 前記目的音信号の音量レベルがしきい値未満になったとき、前記係数を小さくし、
   前記目的音信号の音量レベルがしきい値以上になったとき、前記係数を大きくする処理回路を有する、
   請求項１に記載の音響出力装置。
   

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