JP3784572B2

JP3784572B2 - イヤホンモニタを備えることにより、スピーカからユーザに耳管に至るまでの音響特性のユーザ間の変動を低減した電話送受話器

Info

Publication number: JP3784572B2
Application number: JP09828399A
Authority: JP
Inventors: スパージオンバートレットチャールズ; アンソニーヅニガマイケル
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2019-04-06
Also published as: JP2000041093A; US6163610A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、有線及び無線電話通信に用いるような通信用送受話器に関する。本発明は、特に、入力音声信号の了解度に干渉すると思われる周囲雑音のエネルギーを低減する能動的雑音打消回路を含む送受話器のためのイヤホンに関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば、従来の又はセルラー電話のための一般的な送受話器は、１端に位置する受信器又はイヤホンを他端に位置する送信マイクロフォンに接続するハンドグリップを備えている。イヤホンはユーザの耳の近くに一般的に保持されるが、ユーザの耳は、しばしば、周囲雑音の影響を大きく受けるので、入力音声信号の了解度が低下することになる。このために、従来の送受話器の使用性が、空港や市街地や乗用車の内部のような雑音環境で、しばしば、その影響を受けることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この問題の解決に用いられてきた１つの手段は、送受話器の音量を調節することである。少なくともある例では、音量調節機能を用いて、周囲雑音レベルに対して入力会話信号の音量を増加すると、入力音声の了解度を高めることができる。しかし、音量を単純に増加しても、問題を完全に又は的確に解決することにならない。例えば、入力音声信号自体が雑音の影響を受けると、音量を増加しても、それほど効果が現れないか又は全く効果を示さない場合もある。別の例として、周囲雑音は、特に会話の了解度にとって最も重要な帯域内の周波数の比較的狭い範囲に集中している場合に大きくなると考えられ、音量をユーザに苦痛を与えない程度の大きさに上げることが不可能になる。
【０００４】
周囲雑音に起因する受信信号の変質を低減する１つの方法は、能動的雑音を打消すことである。能動的雑音を打消すための一般的な回路では、好ましくない雑音信号を反転している。この反転信号が入力信号の流れに印加される。
【０００５】
電話送受話器に能動的雑音打消方式を採用する方式は従来技術では一般的でないが、この技術は、飛行機の操縦士が用いるような送受話器に用いられてきた。雑音打消型送受話器では、反転信号がイヤホンに印加され、それが、ユーザの耳の内部において好ましくない雑音信号を減少するように干渉する。この種類の送受話器は、ここに共通して譲渡されている“周囲雑音を低減する電話送受話器の構造”という名称の米国特許第５，３４３，５２３号に開示されている。
【０００６】
種々の難点が、送受話器というより、むしろ送受話器にこの雑音打消方式を応用しようとする際に、その初期の段階で生じていた。特に、ヘッドセットは、ユーザの耳に合うようにイヤホンを位置決めする際に欠点を呈していた。それは、イヤホンと耳と外界との間の密閉性にも影響を及ぼしていた。対照的に、送受話器は、普通は、このような密閉を僅かに又は全く示さない。ユーザが操作して、ユーザの耳に合うようにイヤホンの位置を広い範囲で調整している。これらの理由から、反転信号の位相と振幅とを実雑音に相応して調整することは、送受話器の場合に難しい。このような調整に関する具体的な尺度がなければ、効果的に雑音を一般的に打消すことができない。
【０００７】
この問題を解決する１つの手法が、ここに共通して譲渡されている“雑音解消型電話送受話器”という名称で、米国特許第５，４９１，７４７号に開示されている。そこに開示されている送受話器では、受信用拡声器が、ドーム形状の口径部に対応する形状をもつ受信器のカップに組み込まれている。ドームは、ユーザの外耳にはまり込んで、送受話器の位置設定を支援している。このような送受話器は雑音を打消すうえで効果的であるが、一部の商業用マーケットでは抵抗を受ける場合がある。なぜならば、それが使用中に被る現実的な制約事項のためであり、また、監視用マイクロフォンを含むイヤホンの外面に突出部があるので、その外観に一部の顧客が不満をもつからである。
【０００８】
従って、送受話器が使用中に維持される際の個人及びユーザ間における変動に対しても、効果的に能動的雑音を打消して、入力音声信号の了解度を改善できる、通信用送受話器は今までなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
我々は、このような送受話器を発明した。我々の発明に基づいて製作した送受話器は、音響的に堅固な材料から製作したハウジングを具備するイヤホンを備えている。“前部容積部”と呼ぶ空間が、このハウジングの後壁と側壁と、ユーザの耳に向けて受信音を放射するための音響ポートを具備する前面とから形成されている。雑音打消回路のための入力を提供するエラー・マイクロフォンが、前部容積部内の音場をサンプル抽出するように設けてある。
【００１０】
使用時に、“前方容積部”と呼ぶ更なる容積部が、前面とユーザの外耳道との間に生じると思われる。更に、漏洩性の音響的密閉部が、前面とユーザの外耳道との間に現れると思われる。従って、前方容積部は、ほぼ誘導性の変動性音響インピーダンスとなる特長を示す、音響的漏洩部を効果的に提供する。
【００１１】
本願発明によれば、イヤホンハウジングの複数の側壁のうちの１つに少なくとも１つの漏洩ポートを形成し、送受話器の外部への漏洩の制御を達成する。前部容積部と制御された漏洩部の音響インピーダンスの並列的な組み合わせが前方容積部とその容積部の可変の音響漏洩部の音響インピーダンスの並列的な組み合わせよりもより小さくなるように、前部容積部と１つ又は複数の制御された漏洩ポートの寸法を選択する。これにより、拡声器からエラー・マイクロフォンにいたる応答特性の異なるユーザ間での又は同一のユーザの異なる使用の間での変動が、適切な周波数範囲にわたって低減されることとなる。従って、より信頼性の高い雑音除去が達成される。
【００１２】
図１に示すイヤホン組立体は、ポリカーボネートやフェノール・プラスチックやアクリル・プラスチック又は硬質ゴムのように、音響的に堅固な素材から効果的に製作したハウジング１０を備えている。“音響的に堅固”とは、本発明を実際に適用する際の厚みにおいて、これらの素材が、２００〜３５００Ｈｚの周波数範囲において、２５ｄＢ以上も音を減衰できることを意味している。凹み部が、ハウジングの後壁１２と側壁１４とから形作られている。この凹み部で囲われた内部空間１６を、以降“前部容積部”と呼ぶことにする。
【００１３】
完全に組み立てた状態の送受話器では、前面（図示せず）が、前部容積部１６を完全に囲っている。この表面が、通常は送受話器の外壁の内面になる。ハウジング１０が部分的な囲いとして設けてある場合、図示するように、表面全体は、送受話器の外部ハウジングから通常は構成されている。ハウジング１０が完全な囲いとして設けてある場合に、それは、表面全体が送受話器の外部ハウジングの口径部の内部で同一平面になると共にそれと連続する表面を形作るように、送受話器の外部ハウジング内に組み込まれている。いずれかのケースで、表面全体を、送受話器の“フェース・プレート”と呼ぶことにする。
【００１４】
拡声器２０は、拡声器のダイヤフラム１３が音を前部容積部１６に放射するように、後壁１２に口径部を介して効果的に設けてある。エラー・マイクロフォン３０も、前部容積部からの音をサンプル抽出するように、後壁１２を介して効果的に設けてある。ソケット（図示せず）が、拡声器とエラー・マイクロフォンとを支えるために後壁１２の背後に効果的に形成されている。これらのソケットは、密閉材料と好都合に並んで、拡声器とエラー・マイクロフォンとの周囲に堅固な音響密閉構造を呈している。このてんに関して有用な密閉材料は、例えば、ゴム製グロメット又は適切な接着剤を用いて形作られている。
【００１５】
一対の電気リード線４０と５０は、雑音打消回路５５をエラー・マイクロフォンと拡声器とに各々接続している。雑音打消回路の内部において、エラー・マイクロフォンの出力から生じた雑音信号の反転成分が、拡声器２０を駆動する信号に印加される。雑音打消回路について、ここで図解を意図して説明する。他のタイプのフィードバック・パスを形成する回路も、本発明で効果的に利用できるが、本発明の趣旨に属することを意図している。
【００１６】
一般的にフェルト又は開いたセル状の泡形状の音響減衰素材６０を前部容積部１６に加えると効果的である。このような素材は、好ましくない共鳴モードと反射とを抑制して、拡声器とマイクロフォンとの間の応答性を滑らかにするので効果的である。図１に示すように、減衰材料は、エラー・マイクロフォン３０の前部に位置するパッドのような好都合な形態をしている。
【００１７】
エラー・マイクロフォン３０は、この種のマイクロフォンが、小形で、感度も良好で、遅延も僅かなので、優れたエレクトレット・マイクロフォンである。
【００１８】
内蔵の音響的漏洩部７０が、前部容積部１６から外部に向けて設けてある。この漏洩部は、ハウジング１０の１つ又は複数の側壁を貫通する１つ又は複数のポートから構成している。この漏洩部は、送受話器の外部ハウジングに連なるか又は外部ハウジングと並置した、ハウジング１０の一部に好都合に設けてある。外部ハウジングと並置する場合に、対応するポートが外部ハウジングに設けてあるので、前部容積部１６から外部に向けて連続する通路となる。内蔵の漏洩部７０の重要性について次に詳述する。
【００１９】
図２に示すように、後部容積部８０が、送受話器の外部ハウジング９０の内部に、ハウジング１０の後部に形成されている。前方容積部１００が、ユーザの外耳道の内壁１２０とフェース・プレート１１０との間に形成されている。受信話器の音響ポート１３０は、受信音が容積部１６から前方容積部１００に進むことを可能にする。音響的に密閉な構造が完璧に構成されることは希なので、イヤホンとユーザの耳との間に形成されたとしても、漏洩部１３２は前方容積部１００と外部環境との間に通常は存在することになる。漏洩部１３２は、通常はユーザごとに変動し、一人のユーザが電話呼出を実施している最中でも、ユーザが送受話器上の保持位置を変えると変動する。これらの理由から、漏洩部１３２は以降“変動性”漏洩部と呼ぶことにする。重要なことは、前方容積部１００の形状は、ユーザごとに、特に一人のユーザが送受話器上の保持位置を変える時でも変動する傾向を示すことである。
【００２０】
従来技術の雑音打消型のイヤホンでは、エラー・マイクロフォンがイヤホンの前面に形成した受信ポートの内部に設けてあるので、エラー・マイクロフォンは、イヤホンの使用中にユーザの耳管の容積部における音圧を検出することになる。これは、それが送受話器のために特にデザインした外部ハウジングを通常は必要とするので、不都合である。対照的に、我々のエラー・マイクロフォンは、送受話器ハウジングの内部に組み込むことができる。これは、僅かに又は全く変更せずに、標準的なハウジングのデザインの使用を可能にする。結論として、大量生産と美的なデザインを促すことになる。
【００２１】
前述のように、従来技術のエラー打消型通信機器の信頼性は、容積部１００と漏洩部１３２とにおける変動のために損なわれていた。我々のイヤホンは、内蔵の漏洩部７０を用いているので、図３を参照しながら説明したように、これらの変動に対する感度を低減することができる。
【００２２】
周知のように、受信ポート１３０のようなポートの音響的透過性は、ポートの総表面積に依存する。ポート１３０が組み合わされた部分の表面積が増加するにつれて、前方容積部１００と前部容積部１６との間に音響的透過性が存在する周波数の範囲も、それに伴って広くなる。従って、ポートの面積は、周波数の動作範囲の全体にわたって、容積部１６と１００とが組み合わされた部分の音響状態が、それらの組み合わされた容積部を具備すると共に漏洩部１３２を介して外部環境と通信する、１つの空洞部のものと似たものになるように選択できる。
【００２３】
【外１】

数多くの実際の条件で、周囲雑音は低周波に集中しているので、適正なｆ_maxの値は約１０００Ｈｚになる。一般的な耳の形状の場合に、これは、約０．４ｃｍ²のＳの値に対応している（式の左側を右側の約１０倍に設定すると）。
【００２４】
ここで、内蔵の漏洩部と変動性漏洩部との音響インダクタンスをＬ_b-i及びＬ_var（ｔ）と、各々、記すものとする。時間的変数が、前述のように、変動性を示すために、この表記方式から導かれる。同様に、前部と前方の容積部の音響キャパシタンスを、Ｃ_frt及びＣ_fwd（ｔ）と各々記すものとする。
【外２】

【００２５】
前部と前方の容積部の音響インピーダンスはそれらのキャパシタンスから決まり、内蔵の漏洩部と変動性漏洩部の音響インピーダンスはそれらのインダクタンスからも決まるので、両方の容積部と両方の漏洩部とに関して並列する組合せの正味のアドミッタンスは、下記から概算される。
【数１】

【００２６】
前方容積部１００と変動性音響漏洩部１３２の音響アドミッタンスの並列的な組み合わせよりも大きな前部容積部１６と内蔵の漏洩部（漏洩ポート）７０の音響アドミッタンスの並列的な組み合わせを選択して、拡声器２０からユーザの耳管に至る経路の音響特性のユーザ間の変動を容易に低減することが可能である。とりわけ小型セルラー送受話器の設計の際の上記の前部容積部の寸法には、慣行的な上限が存在することは言うまでもない。しかしながら、例えば、概ね０．０４乃至０．０６cm^２又はそれ以上の内蔵性漏洩部と組み合わせることにより、１乃至２cm^３程度の狭い前部容積部であっても、目的を達成しうる。
【００２７】
図４は、典型的な小形デジタル送受話器に搭載するための我々の新しいイヤホン組立品の実際の構成を示す。図４の参照数字は、前述の図面と同じ意味で用いられている。フェースプレート１１０は、受信用音響ポート１３０の穴があいている、外部送受話器ハウジング１４０の一部として設けてある。イヤホン組立品のコーナー１５０は、外部ハウジングの内部最上部及び側壁と同じ高さに設けてある。外部ハウジングに形成したポート１６０は、イヤホンハウジングの側壁で対応するポート７０に直接連なって内蔵の音響的漏洩部を呈している。イヤホンハウジングの丸い部分１７０は、拡声器２０と同心状態にある。
【００２８】
上記のように、内蔵性音響漏洩部７０は、可変の（変動性）音響漏洩部１３２と並列のインピーダンスを提供する。これらの各々の漏洩部７０及び１３２を形成する開口部を共通する容積部に向けてあけた場合には、上記の並列の音響インピーダンスを得ることは不可能である。より具体的には、内蔵性漏洩部７０の開口部は、前方容積部１００に向けてあけるべきではない。実施例においては、音響ポート１３０の方向と垂直な方向に各漏洩部７０及び１３２を形成することにより、それぞれの音響的漏洩部の望ましい分離構造を実現している。より一般的には、内蔵性漏洩部７０は、通常の動作時にユーザの耳管に面していない送受話器の一部において外気に向けて開いていれば十分である。
【００２９】
更に、エラー・マイクロフォンは拡声器と同心状又は同軸状になる必要がない。エラー・マイクロフォンが前部容積部１６内の音圧を検出することが必要なだけである。従って、製造者は、このマイクロフォンの配置を考慮するうえで大きな自由をもつことになる。図１に示した実施例では、例えば、エラー・マイクロフォンは、拡声器の片側に全体的に位置している。
【００３０】
我々の送受話器とイヤホンとに関連する動作に適した種々の雑音打消回路は当業者には周知のことであり、ここで詳細に述べる必要はないと思われる。あるこのような回路は、ここで引例を用いて包含され、共通して譲渡されている“電話送受話器における周囲雑音の電気的な打消”という名称の米国特許出願第０８／４９３，０１７号に記されている。
【００３１】
例
図５と６の比較例は、本発明から実現可能になる性能の改善について示している。図５は、前述の米国特許第５，４９１，７４７号に記す雑音打消型イヤホンの拡声器とマイクロフォンとの間の応答性を示す。３人のユーザの各々について、上のグラフは強度の関係を示し、下のグラフは、エラー・マイクロフォンの出力電圧と受信用拡声器の入力駆動電圧との間の位相遅延関係を示している。これらのグラフを得るために、我々は、３人のユーザの各々に、従来技術の雑音打消型イヤホンを搭載するセルラー電話送受話器を持たせた。我々が白色の雑音波形を示す拡声器を操作している間に、各々のユーザは、その耳にイヤホンを保持していた。各々のケースで、我々は、（白色雑音）駆動信号に対するイヤホンマイクロフォンの振幅と位相応答性とを測定した。
【００３２】
図６は、本発明に基づく典型的な雑音打消型イヤホンの拡声器とマイクロフォンとの間の応答性を示す。雑音打消回路は、図５のイヤホンのものと本質的に同じである。３人のユーザが図５と同じ状態であった。これらの図面を並行して比較すると、我々の新しいイヤホンは、特に約１ｋＨｚ未満の周波数で、３人のユーザの中で実質的に僅かの変動で対応していることが分かる。
【００３３】
我々は、Ｂ＆Ｋ４１９５電話試験器を用いて、本発明のイヤホンを使用して得た雑音打消度を測定した。図７に示すように、１０デシベルを越える雑音低下が、約１２０Ｈｚ〜約４２０Ｈｚの周波数範囲において得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】ある実施例の本発明に基づくイヤホン組立品の部分的で概略的な斜視図である。
【図２】電話送受話器に組み込まれ且つ人の耳の近くで使用するために位置した、図１のイヤホン組立品の部分的で概略的な断面図である。
【図３】図１のイヤホン組立品の略図であり、その理論的な音響効果を示すために単純化した略図である。
【図４】本発明のイヤホン組立品の実施例を包含する小形のセルラー送受話器の一部を示す分解図である。
【図５】各々の雑音打消用イヤホンに関する拡声器とマイクロフォンとの間の位相及び振幅応答性をプロットで示す図である。（３人の別々のユーザの応答が、これらの図に表されており、図５のイヤホンは従来技術のものである。）
【図６】各々の雑音打消用イヤホンに関する拡声器とマイクロフォンとの間の位相及び振幅応答性をプロットで示す図である。（３人の別々のユーザの応答が、これらの図に表されており、図６のイヤホンは、本発明に基づいて製作したイヤホンである。）
【図７】図６の雑音打消用イヤホンを用いて、周波数の関数として、得た雑音打消度をプロットで表したグラフ図である。
【符号の説明】
１０ハウジング
１２後壁
１４側壁
１６前部容積部
２０拡声器
３０エラー・マイクロフォン
５５雑音打消回路
６０音響減衰素材
７０内蔵の音響的漏洩部
１００前方容積部

Claims

拡声器から受信した音をユーザの耳管に放射する少なくとも1つの音響ポートが形成されている前面と、後壁と、側壁とを備えるイヤホンハウジングを含む電話用送受話器であって、
(ａ) 該イヤホンハウジングの該前面と後壁と側壁とによって少なくとも部分的に定義される前部容積部と、
(ｂ) 該イヤホンハウジングの内部に設置され、該前部容積部と該少なくとも1つの音響ポートとを介して該ユーザの耳管に向けて音を放射する拡声器と、
(ｃ) 該イヤホンハウジングの内部に設置され、該前部容積部内の音圧を検出するエラー・マイクロフォンと、
(ｄ) 該エラー・マイクロフォンから該拡声器へのフィードバック経路を提供する電子回路と、
(ｅ) 該送受話器の該前部容積部から外気に向けて開いている少なくとも１つの制御された漏洩ポートとを含み、該少なくとも1つの制御された漏洩ポートは、ユーザによる正規の動作中に、ユーザの耳管に面していない該側壁の一部によって定義され、
（ｆ）可変の前方容積部が、該前面と該ユーザの耳間の内壁との間に定義され、可変の漏洩部が、該前方容積部と外部環境との間に形成され、
（ｇ）該前部容積部と該少なくとも１つの制御された漏洩ポートの寸法は、該前部容積部と該少なくとも１つの制御された漏洩ポートの音響インピーダンスの並列的な組み合わせが該可変の前方容積部と該可変の漏洩部の音響インピーダンスの並列的な組み合わせよりも小さくなるように選択される電話用受話器。
請求項1に記載の電話用送受話器において、該電子回路が雑音打消回路を含む送受話器。
請求項1に記載の電話用送受話器において、該拡声器と該エラー・マイクロフォンとが該イヤホンハウジングの該後壁に設けられている送受話器。
請求項1に記載の電話用送受話器において、該拡声器と該エラー・マイクロフォンとが非同心状態で設けてある送受話器。
請求項1に記載の電話用送受話器において、該エラー・マイクロフォンが該拡声器の片側に設けられている送受話器。
請求項1に記載の電話用送受話器において、該少なくとも１つのポートが少なくとも0.04cm²の総表面積を有している送受話器。
前面と側壁とを備えるイヤホンハウジングを有する電話送受話器を操作する方法であって、
該イヤホンハウジングの該前面とユーザの耳管の表面との間の一時的な囲いを維持するステップを含み、該一時的な囲いは、該イヤホンハウジングの該前面と該ユーザの耳管の該表面との間で定義される前方容積部と第１の漏洩路を経由して外気に向かう仮想的な音響的漏洩部とによってモデル化され、該方法は、さらに、
該イヤホンハウジングの該側壁のうちの少なくとも1つに定義された少なくとも１つのポートにより提供される第２の漏洩路を経由して該外気に向かう音響的放射を漏洩するステップを含み、
該第２の漏洩路が第１の漏洩路と並列になっており、
該イヤホンハウジングの内側体積と該第２の漏洩路の寸法は、該イヤホンハウジングの該内側体積と該第 2 の漏洩路の音響アドミッタンスの並列的な組み合わせが該一時的な囲いと該第 1 の漏洩路の音響アドミッタンスの並列的な組み合わせよりも大きくなるように選択される方法。