JP3875178B2

JP3875178B2 - ヘッドホン装置

Info

Publication number: JP3875178B2
Application number: JP2002321055A
Authority: JP
Inventors: 学岡本; 正人三好; 好章渡辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: JP2004158961A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人体の一部に振動を与え、その振動を音として知覚させることに利用することができるヘッドホン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人間に音を知覚させる方法の一つに骨導伝達方法が実用化されている。骨導伝達方法とは人体の主に頭部に音響振動を与え、この音響振動を人体の骨、肉等を通じて聴覚系に伝達し、音として知覚させる方法である。この骨導伝達方法によれば耳の不自由な者にも音を知覚させることができる。
骨導伝達方法を実現する場合、加振手段により可聴周波数で音響振動を発生させ、この音響振動を人の頭部に与える方法が考えられる。この方法をとる場合、音響振動が周囲に漏れ周囲の人に騒音として聴こえる欠点がある。
このため、非可聴振動である超音波信号を可聴信号で振幅変調し、この振幅変調された超音波信号により超音波振動子を駆動し、振幅変調された超音波振動で人体の頭部を加振することにより、人体の内部で超音波の復調作用により可聴振動を復調し、この可聴振動を聴覚系に伝達する方法も考えられている。この超音波方式の骨導伝達方法によれば周囲に音が漏れない利点が得られる。
【０００３】
図２２にその超音波方式の骨導ヘッドホンの概略の構成を示す。非可聴帯域（超音波帯域）で加振可能な加振手段１を皮膚に接触させ、人の体を加振できるように装着する。超音波信号発生手段２から出力された２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度の非可聴の超音波信号を振幅変調手段４により、可聴信号である入力信号３により振幅変調し、加振手段１に入力する。加振手段１から人体内に伝えられた非可聴振動は非線形効果により可聴振動を生成し、音として知覚することが可能となる。生成された可聴振動は変調に用いた入力信号３に対応した振動となる。従って、入力信号３に音楽や音声などの信号を用いることにより、音楽や音声を受聴することが可能な骨導ヘッドホン装置を作ることが可能である。
しかし、従来の骨導ヘッドホンは加振手段１の非可聴振動を人体内の非線形効果により可聴振動に変換するため、人体内に高エネルギーの非可聴振動を伝達する必要があり、人体に負担がかかるという第一の課題があった。
また、従来の骨導ヘッドホンでは加振手段１自身が持つ音響インピーダンスと人体の音響インピーダンスは材質の違いにより大きく異なり、加振手段１と人体の接触面で振動エネルギーが反射し、振動を効率良く人体に伝達できないという第二の課題があった。
【０００４】
これらの課題を解決すべく本出願人は加振手段１と人体との間に音響インピーダンスが人体の音響インピーダンスにほぼ等しい振動素材を介挿した構造の電気音響変換装置（特願２００１−３８６３１２）を提案した。
先願で提案した電気音響変換装置によれば加振手段と人体との間に振動素材を挟むことにより、可聴振動の伝達効率を良くし、かつ非可聴振動の励振振幅を軽減することができる。この結果、前記した第一の課題及び第二の課題を解消することができた。
先願発明では実際に用いる振動素材として人体と音響インピーダンスがほぼ等しく、かつ音響特性が非線形特性を持つ材料として高分子ゲル材を挙げている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
先願で提案した電気音響変換装置では、振動素材の音響インピーダンスが人体の音響インピーダンスにほぼ等しいものの、非線形効率が低く、振動素材内で効率良く可聴振動が発生しないという第三の課題が発生した。
この発明の目的は振動素材内で効率良く可聴振動を発生させ、第三の課題を解消することができるヘッドホン装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、少なくとも可聴領域よりも高い周波数の超音波信号を発生する超音波信号発生手段と、超音波信号を可聴領域の音声信号で振幅変調して被変調信号を得る変調手段と、被変調信号によって非可聴振動を発生する加振手段と、加振手段に接触し、人体の音響インピーダンスに略等しく接触加速度と音響出力の振幅との間に非線形特性を有する天然軟骨又は再生軟骨の何れかで構成した振動素材と、加振手段の振動面を表面にして前記加振手段を格納する筺体と、を備えたヘッドホン装置を提案する。
【０００７】
作用
この発明によれば振動素材として天然軟骨或は再生軟骨を用いたから、これらの素材は非線形効率が高く、振動素材の内部で高効率に可聴振動を発生し、この結果、第三の課題を解消することができる。従って、この発明によれば高能率で音漏れが少なく、かつ人体への負担の少ないヘッドホン装置を実現することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の実施例を示す。この発明では図２２に示した従来の装置に対し、加振手段１の人体に接触する面に振動素材５を貼り付ける形で拡張したものとなる。ここで、振動素材５としては例えば動物の耳等から採取した天然軟骨或は人工的に製造された再生軟骨で構成することができる。振動素材５を配置したことにより加振手段１の振動が人体に伝わる際に、振動素材５を経由して伝わることになる。加振手段１は人体を直接加振するのではなく、振動素材５を非可聴帯域の振動で加振する。加振手段１を振動させる信号に非可聴帯域の超音波信号を可聴信号で振幅変調した信号を用い駆動した場合、振動素材５の非線形性により、非可聴振動が人体に伝わる前に振動素材５の内部で可聴振動が発生する。
【０００９】
振動素材５に、上記した天然軟骨、再生軟骨などの素材を用いることにより、効率よく可聴振動を発生させることができ、また、これらの素材は人体の軟骨又は皮膚と音響インピーダンスに近いから、振動素材５で発生した可聴振動を人体との境界で減衰させることなく、効率よく人体内に可聴振動を伝えることが可能となる。また、高エネルギーの非可聴振動は振動素材５の内部で減衰するため、非可聴振動は人体に伝わりにくくなり、人体への負担も軽減する。
【００１０】
図２及び図３に加振手段１と振動素材５の実施例を示す。加振手段１は例えば円盤形状の圧電振動素子等で構成され、この圧電振動素子の表面に、例えばアルミニウムのような金属板が被着されて振動面１Ａが形成される。加振手段１は、例えば硬質プラスチック等で形成されたカップ形状の筐体１Ｂに格納される。
加振手段１の振動面１Ａの直径Ｄ１は約１５ｍｍ程度とされ、この振動面１Ａに振動素材５が接着剤５Ｃにより接着される。接着剤５Ｃとしては、例えばゴム系の感圧性接着剤を用いることができる。
振動素材５に天然軟骨又は再生軟骨を用いる場合について説明する。天然軟骨としては、例えば豚等の動物の耳から採取することができる。採取した天然軟骨を加振手段１の振動面１Ａの直径Ｄ１より僅かに例えば１〜２ｍｍ程度大きい直径Ｄ２＝１６〜１７ｍｍ程度とし、厚みＴが２〜５ｍｍ程度の円盤状に切り出す。所望の形状に切り出した天然軟骨又は再生軟骨、５Ａ（図３参照）の表面を、例えば厚みが数ミクロン程度のポリプロピレンのラップ材５Ｂで包み、真空包装し密封する。
ラップ材５Ｂで包装された振動素材５の一方の円形面を接着剤５Ｃで加振手段１の振動面１Ａに接着する。この接着により振動素材５の一方の円形面を加振手段１の振動面１Ａが振幅変調された非可聴振動で加振することにより天然軟骨５Ａ内ではその厚みＴ（図２参照）方向の途中で天然軟骨の非線形特性により音響振動が再生され、振動素材５の表面側は音響振動する。この音響振動が人体に伝達され音として知覚される。
【００１１】
図４に振動素材５の材料の違いによる復調振動の測定結果の一例を比較のため、加振する超音波振動（非可聴振動）の強度を同じにし、各材料での復調振動加速度を各素材のほぼ同一位置に加速度計を直接設置して測定した。振幅変調に用いた可聴信号の周波数は２５０Ｈｚから４ＫＨｚの正弦波振動とし、超音波信号の周波数は４０ＫＨｚとして測定を行った。
図４に示す曲線Ａは超音波振動の加速度測定値を示す。
曲線Ｂは天然軟骨で発生した復調振動の加速度測定値、
曲線Ｃは高分子ゲルで発生した復調振動の加速度測定値、
をそれぞれ示す。
この測定結果から、天然軟骨を振動素材５として利用することにより、高分子ゲルの場合と比較して復調効率が２０〜３０ｄＢ程度改着されることが分かる。図２及び図３では振動素材５の内部を天然軟骨又は、再生軟骨として説明したがヤング率が０．５×１０⁶〜０．５×１０⁸Ｐａで比重が０．５〜２．５程度のエラストマ等の樹脂素材を用いることができる。
【００１２】
図５及び図６にこの発明によるヘッドホン装置の人体への装着例を示す。図５及び図６に示す１０は、この発明によるヘッドホン装置を示す。この発明によるヘッドホン装置１０は外観上は上述したように、加振手段１と、この加振手段１の振動面に装着した振動素材５とによって構成される。
１１はヘッドバンドを示す。ヘッドバンド１１の両端（図には一端側のみを示す）に蝶番１２を装着する。蝶番１２にレバー１３が取り付けられ、このレバー１３の回動遊端側が蝶番１２に装着されているバネにより常時被装着者の耳に近い部分に圧接される。レバー１３には更に支持棒１４が装着され、この支持棒１４の下端にヘッドホン装置１０が装着され、その振動面に装着されている振動素材５が被装着者の皮膚に圧接される。
【００１３】
図７にこの発明によるヘッドホン装置の他の実施例を示す。この実施例では、音質の制御を可能としたヘッドホン装置を提案するものである。一般に超音波振動を発生させることが可能なような加振手段１は、音響周波数特性が平坦ではない。また、入力電圧と出力となる加振パワーの関係も、線形ではない場合が多い。従って、超音波で振動を人体に伝える場合も、歪みが発生しやすく、また音質の制御が困難である。そのため、加振手段１に入力される信号等を補正手段６で補正することにより、非線形効果により発生する可聴音の周波数特性を平坦にすることができる。
【００１４】
以下に補正手段６で補正する場合の方法の例を示す。超音波の非線形効果により振動素材５の内部に発生する可聴音の周波数特性は、変調の深さが一定の場合、理論的には周波数ωのほぼ二乗に比例し、従って図８に示すような特性となる。図８では生成する可聴音の最低周波数をωＬ（例えば２０Ｈｚ）、最高周波数をωＨ（例えば２０Ｈｚ）としている。
加振手段１の周波数特性が超音波の周波数（キャリアの周波数）を中心に±２０ＫＨｚにわたって平坦な特性を持つものと仮定すると、非可聴振動から再現される可聴振動は図８に示した周波数の２乗（ω²）に比例した周波数特性を有する。この周波数特性を補正して平坦な周波数特性を得るためには、補正手段６に１／ω²の特性を持たせる必要がある。
【００１５】
ところで、システム全体の構成は図７に示す如くであり、加振手段１の周波数特性は図９に各種示すように必要帯域内で平坦でなく、共振周波数ω₀を中心に左右対称的に減衰している特性を持つ、つまり、図９に示す曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３は超音波振動子の品種別の超音波出力の周波数特性を示す。
加振手段１が一般的な超音波振動子の周波数特性を持つ場合、補正手段６としては上述した１／ω²の特性とは異なる特性が要求される。
いま、加振手段１の振幅周波数特性をＡ（ω）とすると、共振周波数を中心とする対象特性つまりＡ（ω₀＋ω）＝Ａ（ω₀−ω）。また、Ａ（ω₀）＝１となるようにＡ（ω）を規格化したとすると、この場合の補正手段６の特性は１／（Ａ（ω₀＋ω）ω²）となる。従って、図１０に示すように、加振手段１の振幅周波数特性Ｈ（ω）の等価低域特性Ｈ₁（ω）が１２ｄＢ／オクターブで減衰している場合には補正手段６が無くとも平坦な周波数特性と一定の高調波ひずみ率が得られる。
【００１６】
具体的に例示すると、共振周波数ωＣ（例えば４０ＫＨｚ）の超音波を可聴音（ωＬ＝２０Ｈｚ〜ωＨ＝２０ＫＨｚ）で変調する場合、その変調後の超音波信号を中心周波数ωＣと可聴信号（ωＬ〜ωＨまで）との差の周波数領域に（ωＣ−ωＨ）〜（ωＣ＋ωＨ）の側帯波として表れ、この範囲の加振手段１の周波数特性に影響を受けることになる。従って、図１１に示すように、加振手段１の共振周波数ωＣより低い周波数領域（ωＣ−ωＨ）〜（ωＣ−ωＬ）の範囲では、周波数の差の二乗（ωＣ−ω）²に比例した特性に、加振手段１の共振周波数より高い周波数領域（ωＣ＋ωＬ）〜（ωＣ＋ωＨ）では周波数の差の二乗（ωＣ−ω）²に反比例する周波数特性を加振手段１が持つ場合、非線形効果で生成される可聴音の特性が平坦になり望ましいことになる。
【００１７】
しかし、現実には図１２に示すように、圧電素子を使用した一般的な加振手段１の周波数特性は所望の特性と異なる。特に共振周波数ωＣの近傍では、周波数ピークが所望の特性より低い特性となる。従って、図１２の特性が図１１に示す理想的な特性になるように、補正手段６の周波数特性は図１３の様に設定される。尚、補正手段６としては、例えばデジタルフィルタによって構成することができる。
また、図１４に一般的な加振手段１の入力体出力特性を示す。図１４に示す入力対出力特性Ａを持つ加振手段１を用いる場合、補正手段６の入力対出力特性Ｂを図１５に示すような特性（図１４の特性Ａとは逆の非直線特性Ｂ）にすることにより、装置の入力と加振手段１の出力特性を図１６に実線で示す様に直線化することができる。この結果、加振手段１から人体に伝わる振動の音圧の変化を直線化することが可能となる。
【００１８】
図７では変調後の信号に補正をかけ、周波数特性及び入出力特性を所望の特性に補正したが、図１７の様に、変調前の入力信号に対し、補正をかける構成も有効である。この場合には振幅変調により発生する側波帯ＳＵＬ：ＳＵＨ（図１８Ａ参照）の共振周波数（キャリアと同一周波数とする）ωＣに近い周波数成分ωＣ−ωＬ及びωＣ＋ωＬ側を強調した側波帯ＳＵＬ´とＳＵＨ´に補正することにより、加振手段１の超音波放射の周波数特性を図１８Ａに示す曲線Ｂ１からＢ２に補正することができる。この結果加振手段１の共振周波数ωＣより低い側では２乗曲線に比例した特性に補正することができ、また共振周波数ωＣより高い側では２乗曲線に反比例した特性に補正することができる。このためには補正手段６の補正特性としては図１８Ｂに示す様に低域強調特性とすればよい。
【００１９】
図１９は更に他の実施例を示す。この実施例では振動素材５を構成要素とする図１に示した実施例に補正手段６を加えたものである。補正手段６の周波数補正特性としては加振手段１に入力される信号に対し、あらかじめ加振手段１の周波数特性に加え、振動素材５の周波数特性に合わせて補正することにより、広い周波数特性で、平坦な特性の可聴振動を人体に与えることができる。図１９は変調後の信号に補正をかけるものだが、図１７の場合と同様、変調前の入力信号に対し補正をかけることも有効である。
【００２０】
図２０は、この発明の更に他の実施例を示す。この実施例では加振手段１に入力される信号を、図１に示した振幅変調された非可聴信号に、可聴信号を加算した信号を得る加算手段７を備えたものとする。
非可聴振動の非線形効果による可聴信号の発生は、非線形な特性であるため、非常に音質の制御が難しい。図７及び図１９に示した実施例の様に、補正手段６により平坦にできる場合もあるが、加振手段１の特性によっては、補正手段６のみでは、補正が不可能な場合もある。その場合、可聴信号を混ぜることにより、非線形効果で発生する可聴信号を補う形で、人体に振動を伝えることが可能である。可聴帯域の信号は線形効果のみによる制御のため、非線形である非可聴帯域に比べ、制御が容易で、その結果、音質の制御がより容易になる。
【００２１】
図２１は、同じくこの発明の更に他の実施例で、補正手段６を可聴振動と非可聴の変調振動それぞれ個別にかける場合の実施例を示す。加振手段１、振動素材５、および人体の特性は、可聴振動の帯域の場合と非可聴振動の帯域の場合で、周波数特性や入出力特性が異なるため、それぞれ個別に補正を行った方が、より細かい音質の制御が可能となる。図２１は変調後の非可聴信号に対して補正を行っているが、図１７と同様に変調前の入力信号に対して補正を行うことも有効である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、振動素材５の内部における非可聴振動の非線形効果により、可聴振動を発生させる加振手段により人体に効率よく可聴振動を伝えることが可能となる。また、非線形効率を発生させる非可聴振動を極力人体に伝えず、安全に非線形効果を起こすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明で提案したヘッドホン装置の一実施例を説明するためのブロック図。
【図２】この発明の要部の構成を説明するための分解斜視図。
【図３】図２に示した要部を更に詳細に説明するための拡大断面図。
【図４】振動素材の違いによって生ずる復調効果の違いを説明するための測定結果を示すグラフ。
【図５】この発明で提案したヘッドホン装置を人体へ装着した状態を説明するための斜視図。
【図６】図５の側面図。
【図７】この発明で提案したヘッドホン装置の他の実施例を説明するためのブロック図。
【図８】超音波の非線形効果で発生する可聴音の周波数特性を説明するための特性曲線図。
【図９】一般的な超音波振動子の周波数特性を説明するための特性曲線図。
【図１０】平坦な周波数特性を持つ可聴音を周波数補正無しに発生させるために必要な加振手段の等価低域特性と、加振手段の振幅周波数特性の一例を示す特性曲線図。
【図１１】周波数補正することなく平坦な周波数特性を持つ可聴音を発生させることができる加振手段の周波数特性を示す特性曲線図。
【図１２】加振手段の現実の周波数特性を説明するための特性曲線図。
【図１３】図１２に示した加振手段の周波数特性を図１１に示した理想的な周波数特性に補正するための補正手段の補正特性を説明するための特性曲線図。
【図１４】加振手段の入力対出力特性の一例を説明するための特性曲線図。
【図１５】図１４に示した入力対出力特性を直線化補正するための補正特性を説明するための特性曲線図。
【図１６】図１４に示した加振手段の入力対出力特性を図１５に示した補正特性で補正した結果を説明するための特性曲線図。
【図１７】この発明で提案したヘッドホン装置の変形実施例を説明するためのブロック図。
【図１８】図１７に示した実施例の補正特性を説明するための特性曲線図。
【図１９】この発明で提案したヘッドホン装置の更に他の実施例を説明するためのブロック図。
【図２０】この発明で提案したヘッドホン装置の更に他の実施例を説明するためのブロック図。
【図２１】この発明で提案したヘッドホン装置の更に他の実施例を説明するためのブロック図。
【図２２】従来の技術を説明するためのブロック図。
【符号の説明】
１加振手段５振動素材
２超音波信号発生手段６補正手段
３入力信号７加算手段
４振幅変調手段

Claims

少なくとも可聴領域よりも高い周波数の超音波信号を発生する超音波信号発生手段と、
前記超音波信号を可聴領域の音声信号で振幅変調して被変調信号を得る変調手段と、
前記被変調信号によって非可聴振動を発生する加振手段と、
前記加振手段に接触し、人体の音響インピーダンスに略等しく接触加速度と音響出力の振幅との間に非線形特性を有する天然軟骨又は再生軟骨の何れかで構成した振動素材と、
前記加振手段の振動面を表面にして前記加振手段を格納する筺体と、
を備えたヘッドホン装置。