JP4458269B2

JP4458269B2 - ノイズキャンセルヘッドフォン

Info

Publication number: JP4458269B2
Application number: JP2005145868A
Authority: JP
Inventors: 存功和田; 徹也島村
Original assignee: Audio Technica KK; Saitama University NUC
Current assignee: Audio Technica KK; Saitama University NUC
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: JP2006324917A

Description

本発明は、デジタル・シグナル・プロセッサ（以下「ＤＳＰ」という）を用いたデジタル方式であって、特に予測手法を用いて外部ノイズを効果的に消去することができるようにしたノイズキャンセルヘッドフォンに関するものである。

例えば、テーププレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＭＤプレーヤなど、携帯型の音楽プレーヤが普及し、最近ではハードディスク型やフラッシュメモリ型など、より小型で、大容量の携帯型音楽プレーヤが急速に普及しつつある。携帯型音楽プレーヤの普及に伴い、それに使用するヘッドフォンもより高性能のものが求められ、さらに、街中や乗り物の中で音楽を聞こうとする場合に、周囲の騒音が聞こえないようにして音楽のみが聞こえるようにしたノイズキャンセルヘッドフォンも望まれるようになってきた。音楽の再生音に混じって周囲の騒音がヘッドフォンから耳に入ると、高音質の再生音であっても、騒音によってかき消されて高音質で音楽を楽しむことができない。また、騒音の中で音楽を聴こうとすると、ついつい音量を上げて聞きがちになり、音量を上げることによって音漏れを生じ、乗り物の中では周囲の人たちにとって不愉快な騒音原になるという問題もある。このような背景があって、ノイズキャンセルヘッドフォンが普及し始めている。

現在市販されているノイズキャンセルヘッドフォンの大半はアナログ方式のノイズキャンセルヘッドフォンである。これは、ヘッドフォンに組み込んだマイクロホンで周囲の音（再生音に対しては騒音であるから、以下、「騒音」という）を捉え、捉えた騒音の位相を反転してプレーヤからの再生信号に加算する方式である。外部からヘッドフォン内部に侵入する騒音は、位相が反転された信号で打ち消され、プレーヤからの再生信号のみが使用者の耳に入るという仕組みである。その概要を図４に示す。図４において、符号４２で示すノイズＮは、ヘッドフォンに装着されたマイクロホンで捉えられる周囲の騒音で、アナログ回路４０が備えている位相反転器４４で位相が１８０度反転され−Ｎ´の信号となる。騒音信号の反転信号−Ｎ´と、プレーヤによって再生される再生信号Ｓは加算器４６によって加算され、この加算された信号で音響変換器すなわちスピーカが駆動される。ヘッドフォン内部には騒音Ｎが回り込む。この回り込んだ騒音Ｎはその反転信号−Ｎ´と合成されて符号４８で示すようにＮ−Ｎ´の信号となり、騒音Ｎの大半は反転信号−Ｎ´でキャンセルされ、使用者はほぼ再生音Ｓのみを聞くことができる、という仕組みになっている。また、上記加算器の変わりに、騒音Ｎの逆位相の音を発生する信号音響変換素子（スピーカ）を設けて騒音Ｎをキャンセルするものもある。

最近では、デジタル方式のノイズキャンセルヘッドフォンも提案されている。その例を図５に示す。図５において、符号５０はデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの主体をなすＤＳＰを示す。ＤＳＰ５０は、ヘッドフォンに組み込まれたマイクロホンで捉えられる騒音信号Ｎを周波数分析する高速フーリエ変換器（以下「ＦＦＴ」という）５４と、ＦＦＴ５４で周波数分析することにより得られる周波数特性５６から、キャンセルする周波数帯域を選択する選択部５８と、選択された周波数帯域の信号を逆フーリエ変換して周波数選択されたキャンセル音信号−Ｎ″を生成する逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）６０と、プレーヤによる再生信号Ｓと上記キャンセル音信号−Ｎ″を加算して出力する加算器６４を備えている。ヘッドフォンに回り込んで侵入する騒音Ｎは、上記キャンセル音−Ｎ″と合成されてＮ−Ｎ″の信号６６となり、騒音Ｎの大半はキャンセルされて、使用者はほぼ再生音Ｓのみを聞くことができる。

アナログ方式ノイズキャンセルヘッドフォンの先行技術として、例えば、特許文献１、特許文献２記載の発明などがある。騒音Ｎの逆位相の音を発生する信号音響変換素子を設けた例として特許文献３記載の発明がある。デジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの先行技術として、例えば、特許文献４記載の発明がある。

特開平１１−３０８６８５号公報特開平１１−２３７８８９号公報特開２０００−５９８７６号公報特開平０９−９３６８４号公報

アナログ方式ノイズキャンセルヘッドフォンによれば、コイル（インダクタンス）やコンデンサ（キャパシタンス）および抵抗を用いて位相を反転する回路を構成しているため、（１）位相を反転するときにパワースペクトルを正確に反転することができない、（２）位相を反転するときに、遅延を正確に実現することができない、すなわち騒音に対して逆位相信号が遅延する、といった問題があり、結果として、十分なキャンセル効果を得ることができない。
従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンによれば、（１）ＦＦＴおよびＩＦＦＴにおいて計算に時間を要し、騒音の移送変化に対して計算結果の位相が対応せず、十分なキャンセル効果を得ることができない、（２）騒音の周波数ごとにキャンセル音を計算するため、計算に長い時間を要し、計算時間を節約するために周波数を狭めなければキャンセル効果を得ることができず、結果として十分なキャンセル効果を得ることができない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、パワースペクトルや位相の遅延を正確に実現することができ、結果として十分なキャンセル効果を得ることができるノイズキャンセルヘッドフォンを提供することを目的とする。
本発明はまた、従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンに対して、周波数を限定する必要がなく、幅広い周波数帯域でノイズをキャンセルすることができるノイズキャンセルヘッドフォンを提供すること、また、計算時間に対するノイズの位相変化に計算結果の位相が対応し、十分なキャンセル効果を得ることができるノイズキャンセルヘッドフォンを提供することを目的とする。

本発明は、請求項１に記載されているように、電気信号を音響信号に変換するスピーカを有するヘッドフォンユニットと、前記ヘッドフォンユニットの外部の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、前記マイクロホンで変換された騒音信号を所定のビット数でサンプリングするサンプリング回路と、前記サンプリング回路によってサンプリングされた過去の騒音信号のサンプリングデータから将来発生する騒音信号をバーグ法により予測する予測手段と、前記予測手段によって予測された前記騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズ信号を生成するキャンセルノイズ生成手段と、前記キャンセルノイズ信号とオーディオ信号を加算した加算出力を生成してスピーカに入力する加算器と、を備え、前記ヘッドフォンユニットの内側において、前記スピーカにより前記加算出力が変換された音響信号と、前記ヘッドフォンユニットの外部から周波数帯域ごとに音圧レベルを変化させつつ入り込んだ雑音とが混合されることを最も主要な特徴とする。

マイクロホンで変換される過去の騒音信号から将来発生する騒音信号を予測し、予測した騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成し、このキャンセルノイズによって周囲の騒音をキャンセルするように構成されているため、予測手段やキャンセルノイズ生成手段などに計算遅れや動作遅れがあっても、実際に生じるノイズの位相変化に対応してノイズをキャンセルすることができ、十分なキャンセル効果を得ることができる。また、従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンのように周波数帯域を限定する必要がないため、幅広い周波数帯域でノイズをキャンセルすることができる。

以下、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンの実施例について、図１乃至図３を参照しながら説明する。
図１において、符号１６はデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの主体をなすＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）を示す。ＤＳＰ１６には、ヘッドフォンに組み込まれていて周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンから、符号１７で示すように騒音信号Ｎが入力される。ＤＳＰ１６は、騒音信号Ｎを所定のビット数でサンプリングしてデジタルデータに変換するサンプリング回路１８を有するとともに、このサンプリング回路１８によって得られるサンプリングデータが入力される予測手段２０を有している。予測手段２０は、騒音信号Ｎの過去のサンプリングデータから、将来発生する騒音信号を予測するもので、バーグ法を用いる。予測手段２０によって、符号２２で示すように発生予測ノイズＮ″が生成され、この発生予測ノイズＮ″は、ＤＳＰ１６に含まれるキャンセルノイズ生成手段２４によって位相が１８０度反転され、キャンセルノイズ−Ｎ″が生成されるように構成されている。

上記キャンセルノイズ−Ｎ″はＤＳＰ１６に含まれる加算器２６に入力され、加算器２６では、適宜のプレーヤによって再生されるオーディオ信号Ｓとキャンセルノイズ−Ｎ″が加算されて出力されるように構成されている。この加算出力Ｓ−Ｎ″によってスピーカが駆動され、Ｓ−Ｎ″に対応した音声がスピーカから発せられる。ヘッドフォンには周囲の騒音が回り込み、使用者の耳に入る。この騒音Ｎは、位相が反転している上記キャンセルノイズ−Ｎ″に対応する音声と合成され、符号２８で示すように、Ｎ−Ｎ″として消音されたノイズとなる。言い換えると、使用者の耳に入る音は、Ｓ＋Ｎ−Ｎ″である。Ｎ−Ｎ″の部分は上記のように打ち消されているので、オーディオ信号Ｓのみが使用者の耳に入ることになる。

以上説明した本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンの実施例を模式的に表したものが図２である。図２において、符号１２はヘッドフォンユニットを示している。ヘッドフォンユニット１２は、使用者の耳を覆う筐体と、この筐体に組み込まれて周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホン１４と、外部のプレーヤ１０で再生されるオーディオ信号Ｓを音響信号に変換する信号音響変換素子としてのスピーカと、前述のＤＳＰ１６を備えている。マイクロホン１４は、ヘッドフォンユニット１２の周辺の騒音Ｎを電気信号に変換し、この騒音信号はＤＳＰ１６に入力されて前述のように処理される。ＤＳＰ１６からは、騒音信号Ｎに基づいて生成された発生予測ノイズＮ″を反転させたキャンセルノイズ−Ｎ″と、上記オーディオ信号Ｓとが加算されてＳ−Ｎ″の信号が出力され、このＳ−Ｎ″の信号でスピーカが駆動される。一方、ヘッドフォンユニット１２の周囲の騒音Ｎは、ヘッドフォンユニット１２を回り込んで使用者の耳に達する。騒音Ｎはヘッドフォンユニット１２を回り込むことによって周波数帯域ごとに音圧レベルが変化し、Ｎ´の騒音として使用者の耳に入る。したがって、使用者の耳に入る音はＳ−Ｎ″＋Ｎ´となる。キャンセルノイズ−Ｎ″は使用者の耳に入る騒音Ｎ´に対して逆位相であり、かつ、キャンセルノイズ−Ｎ″も騒音Ｎ´も騒音Ｎを源とするものであるから、騒音Ｎ´はキャンセルノイズ−Ｎ″で略キャンセルされ、使用者の耳にはほぼオーディオ信号Ｓのみが入ることになる。

図３は、騒音信号Ｎの過去のサンプリングデータから、将来発生する騒音信号を予測する前記予測手段２０の動作例を示す。図３において、波形は騒音を示しており、横軸のｔは現在の時点を、ｔ＋Δｔは現在の時点ｔからΔｔ時間だけ経過した将来の時点を示している。上記騒音信号波形のうち実線Ｎで示す部分は、マイクロホンで捉えられた過去から現在までの実際の騒音信号波形を示しており、破線Ｎ″で示す部分は、過去の騒音信号波形の変化に基づき、前記予測手段で、現在の時点ｔからΔｔ時間だけ経過した将来の時点まで予測した騒音信号波形を示している。

図１、図２に示す実施例は、上記のように、現在の時点ｔからΔｔ時間だけ経過した将来の時点までの騒音信号Ｎ″を予測し、この騒音信号Ｎ″をキャンセルノイズ生成手段で反転させてキャンセルノイズ−Ｎ″を生成し、このキャンセルノイズ−Ｎ″で、ヘッドフォンを回り込んで使用者の耳に届く騒音Ｎ´をキャンセルするように構成されている。したがって、すでに述べたとおり、使用者の耳にはほぼオーディオ信号Ｓのみが入ることになり、使用者は、プレーヤで再生されたオーディオ信号のみを、騒音に埋もれることなく聞くことができる。これによって、使用者は、騒音レベルの高い環境の中にいても、高い音質でオーディオ信号のみを聞くことができるとともに、ボリウムを上げなくてもオーディオ信号を聞き取ることができ、ボリウムのあげすぎによって生じる音漏れによって周囲の人たちに不愉快な思いをさせることもなくなる。

図２に示すモデル図では、１個のヘッドフォンユニット１２に関して記載されている。通常、ヘッドフォンは左右のヘッドフォンユニット１２からなるステレオヘッドフォンとして構成されている。このステレオヘッドフォンにおいては、周囲の騒音を検知するためのマイクロホン１４およびそれに付随した騒音キャンセルのための回路をどのように配置するか、すなわちこれらを片方のヘッドフォンユニット１２に備えるのか、または両方のヘッドフォンユニット１２に備えるのか、いずれかを選択することになる。

左右のヘッドフォンユニット１２の一方にマイクロホン１４を備え、このマイクロホン１４で変換される騒音信号に基づき、前記予測手段２０が将来発生する騒音信号を予測し、キャンセルノイズ生成手段２４がキャンセルノイズを生成し、左右のヘッドフォンユニット１２ごとにそれぞれのオーディオ信号と上記キャンセルノイズを加算する加算器２６を備えたものであってもよい。かかる構成は比較的簡単な構成であるが、十分な騒音キャンセル効果を得ることができる。

左右のヘッドフォンユニット１２でより大きな騒音キャンセル効果を得るのであれば、左右のヘッドフォンユニット１２ごとにマイクロホン１４と予測手段２０とキャンセルノイズ生成手段２４と加算器２６を備え、左右のヘッドフォンユニット１２ごとに将来発生する騒音信号を予測してキャンセルノイズを生成し、左右のヘッドフォンユニット１２ごとにそれぞれのオーディオ信号Ｓと上記キャンセルノイズ−Ｎ″を加算するようにするとよい。左右のヘッドフォンユニット１２では、周囲の騒音の聞こえ方が異なるはずであるから、左右別々に騒音を検出して個別に騒音のキャンセル処理をするように構成すれば、よりいっそう騒音キャンセル効果を高めることができる。

本発明によれば、周囲の騒音をすべてキャンセルしてしまい、プレーヤで再生されるオーディオ信号のみを聞くことができるようにすることも可能である。しかし、日常において、騒音がまったく聞こえない状況はむしろ稀で、人間の感覚ではかえって違和感を覚えることもあるので、騒音のキャンセル量ないしはキャンセル率を、使用者が好みに応じて調整することができるようにしておくとよい。騒音のキャンセル量ないしはキャンセル率の調整は、例えば前記キャンセルノイズ生成手段２６の利得を調整するなどの手法をとることによって達成することができる。

本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンは、主として音楽を再生するプレーヤとともに使用されるものであるが、他の用途として、たとえば、騒音の中で集中力を発揮するために、オーディオ信号を入力させることなく、ノイズキャンセル機能を発揮させ、静寂の中にいるかのような状況を作り出すこともできる。

本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンの実施例を示すブロック図である。本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンの実施例の概要を示すモデル図である。本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンにおける予測手段の予測動作を説明するための波形図である。従来のアナログ方式ノイズキャンセルヘッドフォンの例を示すブロック図である。従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの例を示すブロック図である。

符号の説明

１０プレーヤ
１２ヘッドフォンユニット
１４マイクロホン
１６ＤＳＰ
１８サンプリング回路
２０予測手段
２４キャンセルノイズ生成手段
２６加算器

Claims

電気信号を音響信号に変換するスピーカを有するヘッドフォンユニットと、
前記ヘッドフォンユニットの外部の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、
前記マイクロホンで変換された騒音信号を所定のビット数でサンプリングするサンプリング回路と、
前記サンプリング回路によってサンプリングされた過去の騒音信号のサンプリングデータから将来発生する騒音信号をバーグ法により予測する予測手段と、
前記予測手段によって予測された前記騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズ信号を生成するキャンセルノイズ生成手段と、
前記キャンセルノイズ信号とオーディオ信号を加算した加算出力を生成してスピーカに入力する加算器と、を備え、
前記ヘッドフォンユニットの内側において、前記スピーカにより前記加算出力が変換された音響信号と、前記ヘッドフォンユニットの外部から周波数帯域ごとに音圧レベルを変化させつつ入り込んだ雑音とが混合されるノイズキャンセルヘッドフォン。
前記ノイズキャンセルヘッドフォンは、前記ヘッドフォンユニットを左右に有するステレオヘッドフォンであって、左右の前記ヘッドフォンユニットに前記マイクロホンを備え、前記マイクロホンで変換される騒音信号に基づき、前記予測手段が将来発生する騒音信号を予測し、前記キャンセルノイズ生成手段がキャンセルノイズを生成し、左右のヘッドフォンユニットごとにそれぞれのオーディオ信号と前記キャンセルノイズを加算する前記加算器を備えている請求項１記載のノイズキャンセルヘッドフォン。
前記ノイズキャンセルヘッドフォンは、前記ヘッドフォンユニットを左右に有するステレオヘッドフォンであって、左右のヘッドフォンユニットごとに前記マイクロホンと前記予測手段と前記キャンセルノイズ生成手段と前記加算器を備え、左右の前記ヘッドフォンユニットごとに将来発生する騒音信号を予測してキャンセルノイズを生成し、左右のヘッドフォンユニットごとにそれぞれのオーディオ信号と前記キャンセルノイズを加算する請求項１記載のノイズキャンセルヘッドフォン。