JP4221746B2 - ヘッドホン装置 - Google Patents

Description

本発明は立体音響が再生可能なヘッドホン装置に関し、例えば三次元的音響空間を再現するマルチチャンネル立体音響再生装置として好適なヘッドホン装置に関する。

従来のヘッドホンのスピーカーは、耳介全体に音波を放射している。（例えば、特許文献１参照。）
従来のヘッドホンでは前方音と後方音を分離して再生するには、図１２のように従来のヘッドホンより２−３倍の大きさを必要とし、実用が困難であった。また従来のヘッドホンの大きさでマルチチャンネルを再生させるためには、特殊なアンプを使用する必要があった。このため従来の大きさのヘッドホンでは、マルチチャンネル音場の再生や、真の立体音場を再生出来なかった。またこの特殊なアンプを使用してマルチチャンネル音を再生した場合においては音信号を電気的に加工しているため音質の劣化が生じ、高品位な音質の再生が困難であり、さらに特殊アンプであるために、高価となる。
特許公開２００１−２１８２９３ 号公報

本発明は、耳介の集音機能と耳介の方向認知機能を活用したヘッドホンとしたことにより、従来どおりのヘッドホンの大きさでありながら特殊なアンプ無しで、安価に、前後音の分離されたマルチチャンネル音場の再生が可能で、且つ、音像が頭頂部や、頭内定位しない、高品位な音質で広がり感のある自然な立体音場が再生可能なヘッドホン立体音響装置の提供を目的とする。

耳介には、集音機能と方向認知機能のあることはよく知られている。（新臨床耳鼻咽喉科学 Ｉ 中外医学社）しかしその詳細な仕組みに関しては未だ解明されていない。耳介は図１に示すように複雑な外形をしており、全体として均一な立体構造ではなく、耳介の各部分ごとにその立体構造が大きく異なっている。（生体の観察 第２版 星野 一正著）

この耳介の局所解剖学的形態の違いに着眼すれば、耳介は複数の音波集音器の集合体としてとらえることができる。

本発明者は、この複数の集音器が、それぞれに異なる方向に感度を持った指向特性を持ち、聴覚の方向認知に寄与していることを見出した。

ある方向から耳に到達した音波は、耳介全体でではなく、到来した音波の方向に最も集音効率の高い、感度の高い耳介局所部分で集音された音波が有効情報として鼓膜へ伝達される。この耳介に到来した音波は、その局所の形態の特異的差違に基づいて、反射、吸収がなされ、その結果として音の方向情報が生成されて、音量や音質の情報とともに鼓膜へと伝達される。

聴覚中枢では、これらの音情報を過去の経験した音源位置と音方向情報との位置関係とを比較分析し、音源の位置を把握、認知している。

図２に示すように、音波を発生させるスピーカーの中心から発生音波進行方向の音波の中心とを結ぶ方向軸を音波放射軸とし、この音波放射軸と外耳道口近傍での矢状面（カラーアトラス人体解剖と機能 第３版 以後参照１とする。）や、横断面（参照１）との成す角度を音波放射軸角度とし、以後この角度を単に入射角と称することとする。なお、矢状面とは人体を左右対称に切る面とこれに平行なすべての面をいい、横断面とは床に平行で、矢状面と直行する面をいい、水平面とも言う。

図２に示すスピーカーの音波放射軸を用い、耳介に対して異なる音波放射軸角度を持つＮ個（Ｎは、自然数）のスピーカーから耳介局所領域に音波を放射すると、耳介局所領域の立体構造の差違によってそれぞれの音波放射軸角度に応じて異なる音波の反射、吸収が生じ、それぞれに異なる音波放射軸のスピーカーから放射された音波に応じたＮ個の音方向情報が生成される。従って異なる音波放射軸を持つスピーカーから放射された音波は、それぞれに異なる方向からの仮想音源として定位することとなる。このことから、再生しようとするそれぞれ左右Ｎ個の音源と同数の音波放射軸角度の異なるスピーカーをそれぞれ左右ヘッドフォンユニット内に配設すればそれぞれ左右にＮ個の仮想音源を定位させることが可能となる。

音源方向情報は、音源からの音波が耳介局所へ到達する際の矢状面への入射角度をθ、横断面への入射角度をαとすると、この入射角度θと入射角度αに応じて、最も集音率の高い耳介局所部位での形態的特異性に基づいて音波が反射、吸収されて、音源の方向情報が発生する。音源からの音波は、この発生した音方向情報に基づいて三次元空間の特定位置に定位した仮想音源として聴取される。そしてこの音方向情報は、音量や、音質情報とともに、鼓膜へと伝達される。このことから音信号再生用の前方用スピーカーと後方用スピーカーとの振動面は、耳珠近傍から耳輪近傍までの間に配設してあれば受聴者は、前後の音を、聞き分けることが可能となる。また３個以上配設すれば、複数の音源を異なる三次元の空間に仮想定位させることが可能となる。

そこでスピーカーからの音波入射角度θと仮想音源位置との関係を検証すると図３で示すように横断面での、スピーカーの矢状面に対する音波入射角度θを増加させると増加された程度に相応して仮想音源が後方へ移動することが判明した。

同様に図４に示すように横断面上に対する音波入射角度αを増加させると仮想音源が上方向へ、横断面下に対する音波入射角度を増加させると仮想音源位置が下方向へ移動することも判明した。

上記の原理により左右各チャンネルユニットごとに、Ｎ個の音波入射角度の異なるスピーカーを配設することにより、三次元空間の異なる空間位置に定位するＮ個の仮想音源の再生が可能なヘッドホンが実現できる。

録音時の左右各チャンネルごとの音源数と同数の音波入射角度の異なるスピーカーを右耳用と左耳用にそれぞれ配設すると、音波入射角度の違いにより、スピーカーからの音信号は、三次元空間において異なる空間位置に仮想音源として定位するため録音時の音源と同数の仮想音源を三次元の異なる空間位置に定位させて再生することが可能となる。

複数の音信号をミキシングアンプを用いてミキシングする場合、アンプの歪みが問題となる。特に音源数が増すにつれて混変調歪みの増加は避けることが出来ない。しかし音波放射軸方向の異なる複数のスピーカーを同側チャンネルに配設し、この複数のスピーカーに対してミキシングする音信号を供給することにより、この音波放射軸方向の異なるスピーカーが放射するそれぞれの音波を、耳介の形成する空間を通して、混合音波として鼓膜へ伝達させることにより、複数の音信号を歪み無くミキシングされた音として聴取することが可能となる。

低音（たとえばサラウンド再生における０．１チャンネル）は、指向性が低いため左右の耳用にそれぞれ耳介近傍の任意の個所に設置することが可能である。このことにより耳介より遠い頭部や首、肩に低音用スピーカーを配設する場合に比べて、低音と中高音のスピーカーから放射される音波が鼓膜へ到達する時間差がほとんど生じないことになる。

聴覚中枢に立体音場を認知させるためには、前後、左右、上下の音情報が鼓膜へ入力される必要がある。従って立体音場再生のためには、耳介の局所形態的特性による音波の反射、吸収をへて生成される音の方向情報を鼓膜に入力することが必須であり、この耳介の音方向情報生成機能を生かしたヘッドホンでなければ真に高品位な音質で自然な立体音場の再生することは不可能である。

遅延残響音処理装置を備え、この遅延音残響音処理装置により、遅延、エコーなどの効果音である間接音を異なる音波放射軸のスピーカーに付与させることにより、再生する音場の大きさや距離感がよりリアルに聴取可能となる。

図５に示すＮ番目の遅延音残響音処理器は、Ｎ番目のスピーカーの音波放射軸によって生じる仮想音源位置より到来する間接音信号であるＮ番目の遅延残響信号を発生させる。

左音源の直接音と間接音の一部を図６で示す。例えば遅延残響音処理装置が作る（Ｎ−１）番目の遅延残響信号は、間接音３を再生するために、３ａの定点をとおる方向に仮想定位する音波放射軸を持つスピーカーに付与する。Ｎ番目の遅延音残響音処理器が作るＮ番目の遅延残響信号は、間接音４を再生するために、４ｃの定点をとおる方向に仮想定位する音波放射軸を持つスピーカーに付与する。この結果、直接音２を除く、（Ｎ−１）個の三次元空間に仮想定位する位置を定点として、この定点からの間接音と、反対チャンネルからＮ個の三次元空間に仮想定位する位置を点定として、この定点からの間接音とを聴取することが可能となるため、再生される音場空間の大きさや直接音源との距離感がより忠実に再現可能となる。マルチチャンネル再生において受聴者がより正確な音場を知覚できることとなる。すなわち、左音源からの異なる二つの間接音を左右の耳で同時に聞くことができるため、より立体的に聞こえるのである。

また再生したい音場の効果音の音量を上げても、直接音が間接音である効果音の中に埋没することなく明暸性を損なわず、クッキリとした直接音の再生が可能となる。

従来の反射残響音などの間接音は、直接音を再生するスピーカーと同じスピーカーから放音されているため、同じ音波放射軸角度のスピーカーから間接音が放音されることとなり、本来直接音とは異なる方向から聞こえるはずの間接音が直接音と同一方向から聴取されることとなる。従って間接音による効果がほとんど無く、また間接音の音量を上げると直接音が間接音の中に埋没し、肝心な直接音の再生が不明暸になってしまう問題点があった。

耳介の集音機能や、方向認知機能を活用したヘッドホンシステム構造にしたので、立体音響再生やマルチチャンネル立体音響再生において、従来のような音電気信号加工による音像定位処理（たとえば頭部音響伝達関数をオーディオ信号に重畳する）を施す音像定位手段を必要としない。このため複雑な電気信号加工による音質の劣化が無く、且つ安価に製作が可能である。また自然な広がり感のある音像定位が可能となった。

擬似的な位相変化や遅延音などを用いたヘッドホンと比べて不自然な圧迫感や違和感がなく、長時間、聞いていても疲れない。またマルチチャンネル立体音場再生においては、最適聴取位置は、一箇所にしか存在しえないが、本ヘッドホン装置により、どのような姿勢や、どのような部屋の位置にいたとしても常に最適聴取位置でマルチチャンネル立体音響を聴くことができる。ゲームでの複数の人間による対戦も全員が最適聴取位置でゲームに臨むことが出来る。

低コストでの５．１チャンネル再生が出来ることはもちろん、将来増加が想定される７．１チャンネル以上のチャンネル数にも対応することが可能である。その応用範囲はＤＶＤプレーヤーなどのマルチチャンネル立体音場再生システムだけではなく、ゲーム機や自動車航空機などのシュミレーションシステムにも使用できる効果がある。

図５から図８、図１３、１４を参照して、本発明の一実施形態のヘッドホン装置を説明する。図７において、ヘッドホンは、受聴者の左耳用の前方音再生用スピーカー１、後方音再生用３と、受聴者の右耳用の前方音再生用スピーカー２、後方音再生用４と、スピーカー１〜４を支持する支持部材５，６とを含む。

支持部材５と６は、以下の条件（１）〜（３）を満たすようにスピーカー１〜４を支持する。

条件（１）：前方スピーカー１，２は、図１３Ａに示すように耳珠方向から耳甲介腔、対輪、耳輪領域に音波放射軸を向けて音波を放射可能な位置に配置する。

条件（２）：後方スピーカー３，４は、図１４Ｂに示すように対輪外側方向あるいは、耳輪外側方向から外耳道口周囲（耳の穴を除く）、耳甲介腔領域に音波放射軸を向けて音波を放射可能な位置に配置する。

条件（３）：前方スピーカー１，２の音波放射軸は、図３で示すように、矢状面に対して略０度から略９０度の範囲内の角度に配設し、後方スピーカー３，４の音波放射軸は、矢状面に対して略９０度から略１８０度の範囲内の角度に配設する。

スピーカーと耳介の配設距離には制限はないが、実質的には、スピーカーの指向性が維持され、耳介の局所に十分な音圧放射が確保される距離であればよい。従って前方スピーカーを図１３Ａから図１３Ｂのスピーカー位置までのいずれの間に配設しても、後方スピーカーを図１４Ａから図１４Ｂのスピーカー位置までのいずれの間に配設しても同様な効果が得られる。図８は、実際の装着した図である。図９に示したヘッドホンのスピーカーは、横断面に対してやや上に傾斜させているので、音源はやや目線の下から聞こえる。逆に図１０に示したヘッドホンの様にスピーカーを横断面に対して下向きに配設すれば音源は、やや目線の上から聞こえる。低音専用再生スピーカーは、図１１のように前方スピーカーと後方スピーカーの間に配設するのは、好ましい一例である。この音源は、目線と同じ高さから聞こえる。

本発明は、立体音響を聞くことができるヘッドホン装置に関するものであり、特に、ＤＶＤプレーヤーなどのサラウンドシステムだけではなく自動車、航空機などのシュミレーションシステムやゲーム機器やリクライニング機器などに使用して立体音響を聞くことができる。

耳介の解剖図である。 スピーカーの音波放射軸を示すための説明図である。 上から見た頭部と音波入射角を示すための説明図である。 横から見た頭部と音波入射角を示すための説明図である。 遅延残響音処理装置の構成を示すブロック図である。 立体音場における直接音と間接音の説明図である。 本発明の耳介機能を考慮した立体音響を聞くことができるヘッドホンの構造を示す概略斜視図である。 本発明によるヘッドホンの装着状態の外観図である。 本発明の概略斜視図であるが、音源は、目線よりやや上方向から聞こえる例を示す図である。 図９と同じ概略斜視図であるが、音源は、目線よりやや下方向から聞こえる例を示す図である。 低音増強スピーカーを備えた他の実施例を示す図である。 従来の立体音響ヘッドホンの一例を示す図である。 スピーカー以外の主要部を分離した斜め後ろから見た左前方スピーカーの配設位置を示すための説明図である。 スピーカー以外の主要部を分離した横から見た左後方用スピーカーの配設位置を示すための説明図である。

符号の説明

図２ １ 音波放射軸、 ２ スピーカー、３ 音波
図３ １ 左前方スピーカーの音波放射軸
２ 左前方スピーカーの音波入射角度θ
３ 左後方スピーカーの音波放射軸
４ 左後方スピーカーの音波入射角度θ
５ 矢状面、６ 矢状面に対する垂線、７ 耳介 ８ 鼻
図４ １ 左前上方スピーカーの音波放射軸
２ 左前上方スピーカーの音波入射角度α
３ 左後上方スピーカーの音波放射軸
４ 左後上方スピーカーの音波入射角度α
５ 左後下方スピーカーの音波放射軸
６ 左後下方スピーカーの音波入射角度α
７ 左前下方スピーカーの音波放射軸
８ 左前下方スピーカーの音波入射角度α
９ 横断面、１０ 耳介、１１ 鼻
図５ ＬＳＰ１ 左耳用１番目のスピーカー
ＬＳＰ２ 左耳用２番目のスピーカー
ＬＳＰ（Ｎ−１） 左耳用（Ｎ−１）番目のスピーカー
ＬＳＰＮ 左耳用Ｎ番目のスピーカー
ＲＳＰ１ 右耳用１番目のスピーカー
ＲＳＰ２ 右耳用２番目のスピーカー
ＲＳＰ（Ｎ−１） 右耳用（Ｎ−１）番目のスピーカー
ＲＳＰＮ 右耳用Ｎ番目のスピーカー
図６ １ 左音源、２ 直接音、３ Ｎ−１番目の間接音
３ａ Ｎ−１番目の間接音の反射点、４ Ｎ番目の間接音
４ａ、４ｂ、４ｃ Ｎ番目の間接音の反射点、５ 鼻 ６上から見た頭部、
７ 耳介
図７ １ 左前方スピーカー、２ 右前方スピーカー、３ 左後方スピーカー
４ 右後方スピーカー、５、６ スピーカー支持具
図８ １ 左前方スピーカー ３ 左前方スピーカー音波放射面
２ 左後方スピーカー ４ 左後方スピーカー音波放射面
５ ヘッドバンド
図９、図１０、図１１
１ 右前方スピーカー ２ 右後方スピーカー
３ 右チャンネルユニット台座部 ４ 左立体音像出力ユニット
５ ヘッドバンド６ イヤーパッド
図１３ １ 外耳道口 ２ 耳輪 ３ 対輪
４ 前方スピーカー（網目が音波放射面）
図１４ １ 耳輪 ２ 対輪 ３ 後方スピーカー（網目が音波放射面）

Claims (5)

1. 受聴者の左耳用の左前方音再生用の第１スピーカー及び左後方音再生用の第３スピーカー、右耳用の右前方音再生用の第２スピーカー及び右後方音再生用の第４スピーカー、並びに前記各スピーカーを支持する支持部材を少なくとも備えたヘッドホン装置であって、
   前記第１乃至第４のスピーカーは、装着された状態において耳介の前方に来るように配置され、かつ、
   前記第１スピーカー及び第２スピーカーから成る前記前方用スピーカーの音波放射軸の前記受聴者の矢状面に対する入射角度が略０度から略９０度の範囲内の角度をなし、前記前方用スピーカーから放射された音波が、前記耳介の耳珠近傍方向から、前記耳介の前方音集音器として機能する領域である対輪や耳輪近傍領域からこれに連なる耳甲介腔の近傍領域を標的として入射されるように配設され、
   前記第３スピーカー及び第４スピーカーから成る前記後方用スピーカーの音波放射軸の前記矢状面に対する入射角が略９０度から略１８０度の範囲内の角度をなし、前記後方用スピーカーから放射された音波が、前記対輪あるいは前記耳輪近傍の方向から、外耳道口の周囲（ただし、耳の穴を除く。）と耳甲介腔の近傍領域を標的として入射されるように配設されたことを特徴とするヘッドホン装置。
2. さらに遅延残響音処理装置を備え、前記左前方音の直接音信号を前記第１のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記左前方音の遅延残響音信号を前記第３のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記左前方音の他の二つの遅延残響音信号を前記第２及び第４のスピーカーにそれぞれ独立に付与し、
   さらに、前記右前方音の直接音信号を前記第２のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記右前方音の遅延残響音信号を前記第４のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記右前方音の他の二つの遅延残響音信号を前記第１及び第３のスピーカーにそれぞれ独立に付与するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のヘッドホン装置。
3. 前記第１スピーカーと前記第３スピーカーとの間、及び前記第２スピーカーと前記第４スピーカーとの間に、それぞれ（Ｎ−２）個（Ｎは３以上の自然数）のスピーカーを、音波放射軸の前記矢状面に対する入射角度が互いに異なる方向を向き、かつ、該入射角度が前記第１スピーカーの入射角度と前記第３スピーカーの入射角度との間、及び前記第２スピーカーの入射角度と前記第４スピーカーの入射角度との間の角度になるように配置したことを特徴とする請求項１に記載のヘッドホン装置。
4. さらに遅延残響音処理装置を備え、前記左前方音の直接音信号を前記第１のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記左前方音の（Ｎ−１）個の遅延残響音信号を前記左側の（Ｎ−１）個のスピーカーにそれぞれ付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記左前方音の他のＮ個の遅延残響音信号を前記右側のＮ個のスピーカーにそれぞれ独立に付与し、
   さらに、前記右前方音の直接音信号を前記第２のスピーカーに付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記右前方音の（Ｎ−１）個の遅延残響音信号を前記右側の（Ｎ−１）個のスピーカーにそれぞれ付与し、前記遅延残響音処理装置によって遅延処理された前記右前方音の他のＮ個の遅延残響音信号を前記左側のＮ個のスピーカーにそれぞれ独立に付与するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のヘッドホン装置。
5. 左耳用及び右耳用の低音専用再生スピーカー又は低音補強用スピーカーを前記耳介近傍の任意の位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドホン装置。
   

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