JP4681698B1 - イヤホン - Google Patents

Abstract

【課題】密閉型イヤホンを人間の耳に装着したとき、自然な周波数特性で音が聴こえるように、音響的な方法で周波数特性を改善する技術を提供すること
【解決手段】密閉型イヤホン内部の電気音響変換器の振動板から、筒状の導音管を通り、外耳道を経て鼓膜に達する音道において、該導音管に２つの独立な音波の経路を備えて、該経路の長さの差を調整することによって、特定の周波数の音の伝達を抑制し、もってこの音道を通過する音の周波数特性を改善するものである。
【選択図】図８

Description

本発明は、放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンに関する。

密閉型イヤホンは、発音部分の背面が密閉されており、外耳道に挿入される部分の先端に放音口を有するイヤーパッドは、弾性を有する軟質プラスチックまたはゴム等により形成されており、外耳道の内面に隙間無く密着して、全体として耳栓構造をなしている。密閉型イヤホンは、イヤーパッドを外耳道に挿入して装着することができるので、外耳の入り口に確実に装着することができる。また、イヤーパッドは柔軟性を有する材料により、外耳道の形状に合わせて容易に弾性変形させることができ、良好な装着感を得ることもできる。

その結果、外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンは、密閉性が良く、遮音性能が高くて外部の雑音が聞こえにくいので、高い音圧感度が得られ、騒音の大きい場所でも微弱な音を聴くことが可能である。また外耳道入口に挿入して使用できるので小型軽量化が容易という利点もある。

近年、ポータブルミュージックプレーヤの普及に伴い、良好な音質で音声出力可能な密閉型イヤホンの開発が益々求められている。

しかし一方、従来の密閉型イヤホンは、外耳道を密閉する構造であるので、外耳道における共振の様子がイヤホンを装着する前後で変わり、共振周波数が偏移して、イヤホンとしての周波数特性に重大な欠陥をもたらしていた。

図１をもって、この点を以下に説明する。図１は、外耳道の見取り図である。人間が音を聴く時は、外部で発生した空気の振動が外耳道入口７、外耳道８を通過して鼓膜９に達して、鼓膜９を振動させている。

このとき外耳道８は、図１（ａ）に示すように、一端が鼓膜９で閉じて、他方の端である外耳道入口７で大気中に開放された片端閉・片端開管（以降、片端閉管という）の状態であり、そのため外耳道８を共振ボックスとする片端閉管共振が起こる。
片端閉管共振になると、定在波が発生して、閉管の閉じた端で空気の振動は最小（圧力変化は最大）になり、閉管の開いた端で空気の振動は最大（圧力変化は最小）になるような共振が起こる。

図１（ｂ１）ならびに図１（ｂ２）は片端閉管共振が起こった状態を模式的にあらわしている。実線は片端閉管の共振ボックスを示し、破線は空気振動の振幅を表している。

共振が起きる状態を含め、外耳道を音波が通過するときの周波数特性を求める。
外耳道入口７から鼓膜９に向けて（これを＋ｘ方向とする）、速さＶで進んでいる波長λの音波の、時間ｔにおける式ｐ１は、次のように書ける。ここでＡは任意の値である。

ｐ１（ｘ、ｔ）＝Ａsin｛２π（ｘ−Ｖｔ）／λ｝

同様に、鼓膜９で反射して外耳道入口７に向けて（これを−ｘ方向とする）、速さＶ で進んでいる音波ｐ２は、次のように書ける。

ｐ２（ｘ、ｔ）＝Ａsin｛２π（ｘ＋Ｖｔ）／λ｝

片端閉管の中には、進む波と、閉じた底で反射して戻る音波が共存するので、両者を合成した音波Ｐは、次のように書ける。

Ｐ（ｘ、ｔ）＝ｐ１（ｘ、ｔ）＋ｐ２（ｘ、ｔ）
＝Ａsin｛２π（ｘ−Ｖｔ）／λ｝＋Ａsin｛２π（ｘ＋Ｖｔ）／λ｝
＝Ａsin（２πｘ／λ）・sin（２πＶｔ／λ）

周波数ｆを使って、λ＝Ｖ／ｆの関係でこれを書き直すと、

Ｐ（ｘ、ｔ）＝Ａsin（２πｘｆ／Ｖ）・sin２πｔｆ ・・・（数式１）

が得られる。

合成された音波Ｐの式の前半部分は時間にかかわらず位置ｘにおける振幅を、後半は時間変動部分を示しており、これは進行波ではなく定在波を示す。
時刻ｔに関係なく、振幅がいつも最大である点を求める。

sin２πｘ／λ＝１

よって、

２πｘ／λ＝±（２ｎ−１）π／２

ｘ座標が正の部分だけとれば、 ｘ＝（２ｎ−１）λ／４ 但しｎは正の整数

共振状態が起こるのは、上記の振幅がいつも最大である点が、共振ボックスの長さＬと同じであるときだけなので、ｘ＝Ｌを上式に代入して

Ｌ＝（２ｎ−１）λ／４

ここで、λ＝Ｖ／ｆであるので、

Ｌ＝（２ｎ−１）Ｖ／４ｆ

∴ ｆ＝（２ｎ−１）Ｖ／４Ｌ ・・・・・・（数式２）

となる。

片端閉管の共振は、上で述べたように、共振ボックスの長さが４分１波長の（２ｎ−１）倍の波長の時に起こる。ここでｎは正の整数である。
図１（ｂ１）に示したのは、１次共振（ｎ＝１）の状態であり、図１（ｂ２）に示したのは、２次共振（ｎ＝２）の状態である。

外耳道８の長さは、おおよそ２５〜３０ｍｍである。すなわち、１５℃における音速を３４０ｍ／ｓとして、図１（ｂ１）に示す１次（ｎ＝１）の共振周波数ｆ_１は、共振ボックスの長さを２５〜３０ｍｍとおけば、数式２から、

ｆ_１＝Ｖ／４Ｌ≒２８３３〜３４００（Ｈｚ）

２次（ｎ＝２）の共振周波数ｆ_２は

ｆ_２＝３Ｖ／４Ｌ＝８５００〜１０２００（Ｈｚ）

となる。

大きさが一定の音波を、周波数を変えて共振ボックスの開口端から、入射すると、閉じた端、すなわち鼓膜位置において得られる音圧−周波数特性を図２にグラフで示した。
理論的には共振は共振周波数のみで起こるので、音圧−周波数特性は鋭いピークを示すが、実際には、その前後の周波数に分布したような特性となる。

したがって、鼓膜の位置での音圧−周波数特性は、外耳道での片端閉管共振の影響を受けて、図２に示すように、２．８〜３．４ｋＨｚならびに８.５〜１０．２ｋＨｚにピークのある特性となる。すなわち、イヤホンを装着しないときは、鼓膜は図２に示す周波数特性の音響フィルターを通して外界の音を聞いているので、鼓膜の受信感度は丁度、図２の特性の音響が入力されたときフラットに聞こえる周波数特性を持っているといえる。すなわち図２の縦軸方向で上下を逆にした特性である。

しかし、図３（ａ）に示すように、密閉型イヤホン１０を装着すると、イヤホンがイヤーパッド５を有する耳栓構造であるので、外耳道入口７を塞ぐことになり、共振のモードが変わる。すなわち片端閉管共振から、外耳道８を共振ボックスとする、両端が閉じた両端閉管共振に変わる。

図４は、密閉型イヤホン１０の内部構造を示す。図４に示すように、イヤホン内部には、電気音響変換器２と音波を外耳道入口７に放音する放音口１５、および電気音響変換器２と放音口１５を連結する導音部４から構成されている。電気音響変換器２は、外部匡体１によって保護され、図示しない適宜な方法で外部匡体１に固定されている。

電気音響変換器２はコイル２１、永久磁石２２、振動板２３からなる。振動板は磁性金属の薄板で構成する。コイルに音響波形の電流を流すと、振動板２３が音響波形に従って振動し、図４において図面右方向の導音部４に向かって、音波が放出される。発音部分である振動板２３の背面は密閉されている。

図３で見られるように、この放音部４の断面積は外耳道８の断面積に較べて小さいので、定在波の原因となっている外耳道８の中での音波の反射は、大部分が導音部４に入りこむことなく放音部１５ならびにイヤホンパッド５の端面で起こる。したがって、密閉型イヤホンを装着した時の共振ボックスとしての外耳道８の大きさすなわち奥行きの長さは、鼓膜９とイヤホンパッド５および放音口１５が外耳道８を塞ぐ位置で決まる。

実際に、イヤホンパッド５及び放音口１５が外耳道を塞ぐ位置は、イヤホンの挿入具合によって微妙に変化するが、図３に示すようにほぼ外耳道入口７の位置に同じ、すなわち、片端閉管の場合と同じ管長と想定する。実際の両端閉管の長さは、片端閉管の場合と微妙に異なるが、解析を容易にするためにこのように想定した。

図３（ｂ１）ならびに図３（ｂ２）は両端閉管共振の説明図であり、両端閉管共振が起こった状態を模式的に表している。実線は両端閉管を示し、破線は空気振動の振幅を表している。
定在波が発生する両端閉管共振状態では、管端となる鼓膜９ならびに外耳道入口７に挿入されるイヤホンパッド５の位置で空気の振動は最小（圧力変化は最大）になり、両者の中間の位置で空気の振動は最大（圧力変化は最小）になる。

両端閉管の共振は、管の長さが２分１波長のｎ倍の波長の時に定在波となる。ここでｎは正の整数である。
図３（ｂ１）に示したのは、１次共振（ｎ＝１）の場合であり、図３（ｂ２）に示したのは、２次共振（ｎ＝２）の場合である。

図３（ｂ１）に示すように、両端閉管の管長２５〜３０ｍｍのとき、この長さを２分１波長とする定在波が共振波となるので、１５℃における音速を３４０ｍ／ｓとして、１次（ｎ＝１）の共振周波数ｆ_１′は５．７〜６．８ｋＨｚである。また、図３（ｂ２）に示すように、２次（ｎ＝２）の共振は管長２５〜３０ｍｍを１波長とする定在波となるので、そのときの共振周波数ｆ_２′は１１．３〜１３．６ｋＨｚである。

図５は密閉型イヤホンの鼓膜位置での音圧−周波数特性を示す。イヤホンを装着しない場合は、片端閉管の共振モードとなるが、外耳道入り口７にイヤホンの音源と同等でフラットな周波数特性の音が供給されたと仮定した場合の音圧−周波数特性を破線で示す。またイヤホン装着時は両端閉管の共振モードとなるが、その場合の鼓膜位置での音圧−周波数特性を実線で示す。この図から解るように、イヤホン未装着時の鼓膜の位置での音圧には、２．８〜３．４ｋＨｚならびに８．５〜１０．２ｋＨｚにピークがあるが、イヤホン装着時の鼓膜の位置での音圧ピークは、外耳道での密閉管共振の影響を受けて、５．７〜６．８ｋＨｚならびに１１．３〜１３．６ｋＨｚへと偏移する。

人間の聴覚系の受信感度特性は図２に示す周波数特性の音が鼓膜に入力されると、どの周波数の音もフラットに聞こえる周波数特性を持っている。したがって、イヤホン無装着時に図２で示すように外耳道８の片端閉管の共振で強調され、ピークを構成する３ｋＨｚ付近の音が、密閉型イヤホンを装着すると共振モードが両端閉管共振のモードに変化するため、図５の実線で示すように３ｋＨｚ付近のピークを構成しないので、３ｋＨｚ付近の音は実際より音が弱く聞こえることになる。

また密閉型イヤホンを装着すると６ｋＨｚ付近の音が、図５に実線で示すように、両端閉管の共振モードにより強調されるので、準鳴音状態となり音がワーンと響くように聞こえるという問題がある。

この問題を解決するために、一般的手法として、周波数特性を電気的な方法で補正することが考えられるが、そのためには、密閉型イヤホン専用の増幅器とフィルター回路を追加しなくてはならず、回路が複雑となり、電源も必要になる。そのような回路を含んだイヤホンでは、小型、軽量かつ低価格を実現することが難しい。小型化、低価格を実現するため、電気的なフィルター回路だけによって所望の周波数特性を実現する方法も考えられるが、増幅器を含まないとすれば、音量の低下は避けられない

この電気的な回路を追加する困難さを回避するために、電気的でない方法で、この密閉型イヤホン固有の問題を解決する技術がいくつか提案されている。その例としては、音道に音響抵抗体（ダンパー）を置く技術、また音道の長さや開口面積を変える技術が開示されている（特許文献１、特許文献２）。

特許文献１の技術によれば、問題となる高周波音響を抑制する手段として、イヤホン内部の電気音響変換器２から、筒状の導音部４を通り、外耳道に音波を導く放音口１５に至る音道の途中に、音響抵抗体（ダンパー）６を交換可能に設置して、イヤホンの音質を、使用者の好みに合わせることが提案されている。

図６に音響抵抗体６を有するイヤホンの断面図を示す。これは音響抵抗体６を有するイヤホンの一般的な構造であり、音響抵抗体６は、不織布あるいは発泡ウレタンの薄片などが使われる。

図７は、音響抵抗体６を有するイヤホンの音圧−周波数特性を示すグラフである。破線は音響抵抗体６を有しない密閉型イヤホンを装着した場合の特性を示し、実線は音響抵抗体６を有する場合を示して、比較してある。このように音響抵抗体６を装着した結果の音圧−周波数特性をみると、６ｋＨｚ付近のピークが抑制されていることが判る。

また、特許文献２には、音道を通過する音波の周波数特性を変化させるために、音波の放出方向の反対側に設置される音響管の内部に着脱可能で材質や長さを変えた条件の異なる調整用パイプや、導音管または音響管の開口面積を変化させるための交換可能な、異なる調整用の穴付きのネジを備える方法が提案されている。

実用新案登録第３１６０７７９号 特許公開２００７−３１８７０２号

しかし、特許文献１に開示されたような音響抵抗体（ダンパー）を使う方法では、図７に示すように、一般的に６ｋＨｚ付近のピークは確かに抑圧され、ワーンという響きは無くなるが、音域全体にわたって音圧が低減されるので、次のような問題が新たに発生する。

すなわち、図７において、破線は何も対策をしない密閉型イヤホンを装着した場合の鼓膜位置における音圧−周波数特性を示し、実線は特許文献１の技術による音響抵抗体６（ダンパ）を有する密閉型イヤホンを装着したときの音圧―周波数特性を示す。
この２つの特性を比較すると、実線の特許文献１の技術では、確かに６ｋＨｚ付近の音圧はイヤホンを装着しない場合、すなわち図２と同等のレベルに抑制されているが、音質に影響を与える１０ｋＨｚ付近の少し上までの高域の音圧が大きく低下しているので高音がほとんどないような音になってしまうことが大きな問題である。さらにまた、音域全体にわたる音圧が低下しているので、全体として音量が不足するという問題がある。

また、特許文献２に開示された技術によれば、周波数特性を変化させるためのパイプが極めて長くなり、また穴付きのネジも直列に配置されることから、導音管が極めて長くなり、小型であるという密閉型イヤホンの特長を著しく損ねてしまうという問題がある。

本発明は、係る課題に鑑みなされたもので、放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンにおいて、電気音響変換器から発生する音波を、外耳道入口に伝達する導音部として、経路長の異なる独立した２つの導音管を具備し、該電気音響変換器から発生し、該２つの導音管を通過した２つの音波が外耳道入口で合成され、該２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制することを特徴とする密閉型イヤホンを提供する。

課題を解決するための、基本的な考え方を説明する。ここで《》は、周波数特性を表すものとする。イヤホン音源というのは、電気音響変換器の振動板から出力される音のことをさす。また《片端閉管共振ボックスの伝達関数》は、イヤホンを装着しない場合に外耳道を共振ボックスとする伝達関数の周波数特性のことをさし、《両端閉管共振ボックスの伝達関数》は、密閉型イヤホンを装着した場合に外耳道を共振ボックスとする伝達関数の周波数特性のことをさす。

イヤホンを装着しない場合に次の式が成り立つ。

《鼓膜に印加される音圧》＝《外耳道入口に印加される音圧》
×《片端閉管共振ボックスの伝達関数》

また、イヤホンを装着していないのであるから、外耳道入口に印加される音圧は特定できないが、計算を容易にするために、今仮にイヤホンの音源の音圧と等しい音圧が外耳道入口に印加されるとすれば、

《外耳道入口に印加される音圧》＝《イヤホン音源の音圧》

である。

従って、

《鼓膜に印加される音圧》
＝《イヤホン音源の音圧》×《片端閉管共振ボックスの伝達関数》
・・・・・・（数式３）

となる。

次に、密閉型イヤホンを装着した場合に次の式が成り立つ。

《鼓膜に印加される音圧》
＝《外耳道入口に印加される音圧》×《両端閉管共振ボックスの伝達関数》

また、

《外耳道入口に印加される音圧》
＝《イヤホン放音口から出力される音圧》
＝《イヤホン音源の音圧》×《密閉型イヤホンの導音部の伝達関数》

である。

従って、

《鼓膜に印加される音圧》
＝《イヤホン音源の音圧》×《密閉型イヤホンの導音部の伝達関数》
×《両端閉管共振ボックスの伝達関数》 ・・・・・・（数式４）

となる。

求めているのは、数式３と数式４で求められる《鼓膜に印加される音圧》が等しくなることであるから、

《イヤホン音源の音圧》×《片端閉管共振ボックスの伝達関数》
＝《イヤホン音源の音圧》×《密閉型イヤホンの導音部の伝達関数》
×《両端閉管共振ボックスの伝達関数》

が得られる。

この式を整理すると、次式が得られる。

《密閉型イヤホンの導音部の伝達関数》
＝《片端閉管共振ボックスの伝達関数》÷《両端閉管共振ボックスの伝達関数》
・・・・・・（数式５）

この式によれば、左辺の密閉型イヤホンの導音部の伝達関数は次のような状態を作り出すことが要請されている。すなわち、右辺の分子の意味するところは、密閉型イヤホンを装着した状態で、イヤホンを付けない状態の片端閉管共振ボックスの特性を再現することである。また、右辺の分母の意味するところは、密閉型イヤホンを装着したことによって発生した両端閉管共振ボックスの特性をキャンセルするような特性を実現することである。

発明者は、この内、右辺の分母に示される特性を実現すること、とりわけ６ｋＨｚ付近が異常に強調された音を抑制することにより、音質が大幅に改善されることを見出した。また全体の音量を確保できると、右辺の分子に示される特性に従って、３ｋＨｚ付近の音圧が再現されていなくとも、全体の音量が確保されるので、あまり気にならないことを見出した。

すなわち、外耳道を共振ボックスとして両端閉管共振によって、５．７〜６．８ｋＨｚにピークのある特性になってしまっているのだから、密閉型イヤホンの導音部の伝達関数の周波数特性がこのピークの周波数の音を抑制することが重要である。

本発明は、音波が長さの異なる２つの経路を通過して、その後再度合成される時に、特定の周波数の音が減衰する現象を利用して、これを実現した。

図８（ａ）は本発明の異なる経路長を有する２つの導音管を有する密閉型イヤホンの概念図である。音波の第１の経路は、イヤホン内部の電気音響変換器２の振動板２３から、直線状の導音管１１を通り、外耳道入口に挿入される放音口１５に達する経路である。音波の第２の経路は、同じくイヤホン内部の電気音響変換器２の振動板２３から、直線状の導音管１１のバイパスとしてコの字型に設置された導音管１２、１３及び１４を通り、放音口１５に達する経路である。

導音管１１に入った音波は、分岐点であるＰ点で、そのまま導音管１１を進む音波と、それとは別れて、導音管１２を進む音波に分かれる。分岐した２つの音波は導音管１１並びに導音管１２、１３及び１４を独立に通過して、合流点Ｑで再び合流して、放音口１５に達し、外耳道に入る。

図８（ｂ）は２つの音波が合成される状態の概念図である。図８（ｂ）は、例えば１つの音源から出た音が、２つの経路に別れて進み、経路の出口で、経路の長さの差のために位相が１８０度ずれた場合に、合成された音波の振幅はゼロとなることを示している。

これを数式で以下に示す。Ｐ点の信号Ｐ(ω)を

Ｐ(ω)＝２Ａsin ωt
（ここでωは角速度、ｔは時間、Ａは任意の定数である。）

とし、Ｐ点で２つの経路に均等に音が分岐し、それぞれが所定の経路を通過して、再合成点Ｑで合成されたときの信号Ｑ（ω）は、Ｖを音速、Ｌを２つの経路の長さの差として、

Ｑ(ω)＝Ａsin ωt ＋Ａsin（ ωt＋ωＬ／Ｖ)

となる。

この式において、波形の観測点をＬ／２Ｖだけ時間軸を前にずらしても波形は変わらないので、

Ｑ(ω)＝Ａsin( ωt−ωＬ／２Ｖ)＋Ａsin( ωｔ＋ωＬ／２Ｖ)
＝２Ａsinωt・cos ωＬ／２Ｖ
＝Ｐ(ω)・cosωＬ／２Ｖ
・・・・（数式６）

で与えられる。

数式６より、Ｐ点からＱ点に達する波形の伝達関数Ｔ_ＰＱは、

Ｔ_ＰＱ∝ cos ωＬ／２Ｖ

これより音圧の伝達関数Ｔ_ＰＱ′は

Ｔ_ＰＱ′∝｜cos ωＬ／２Ｖ ｜

で与えられる。この式に於いて、ω＝２πｆを用いて書き直すと

Ｔ_ＰＱ′∝｜cos πｆＬ／Ｖ ｜ ・・・・（数式７）
（ここでｆは周波数とする。）
となる。

図９は、密閉型イヤホンの導音部伝達関数である。音速を３４０ｍ／ｓとし、経路差が２５〜３０ｍｍ（外耳道の平均的長さに相当）の二つの経路を通った後、再合成されるときの伝達関数Ｔ_ＰＱ′（数式７）を実線で示す。すなわちこの伝達関数こそは、数式５で示した《密閉型イヤホンの導音部に伝達関数》を与える式の右辺の第２項である《両端閉管共振ボックスの伝達関数》^−１に相当し、両端閉館共振ボックスによって強調される特性を抑制する働きを与えるものである。
すなわち数式７に於いて、２Ｌ＝Ｖ／ｆ（経路差の２倍が波長に等しい）の場合、ｆ＝Ｖ／２Ｌ ≒６ｋＨｚ近辺で、伝達関数は周波数特性に谷を示す。

さらに図９には図５の実線で示した《両端閉管共振ボックスの伝達関数》を破線で重畳して示す。
この図９で示される実線《密閉型イヤホンの導音部の伝達関数》と破線《両端閉管共振ボックスの伝達関数》とを数式５に従って、合成すると本発明の複数経路を有する密閉型イヤホンを装着した場合の《鼓膜に印加される音圧》として、図１０に実線で示すグラフが得られる。
このグラフが、図８の概念図に示したコの字型の導音管をバイパスとして有する密閉型イヤホンを人間が装着した場合の鼓膜に印加される周波数特性を示す。

さらに図１０には、特許文献１及び２に提案されている技術を含め特別の対策を講じていない単純な密閉型イヤホンを人間が装着した場合の《両端閉管共振ボックスの伝達関数》の周波数特性（図５で実線で示した両端閉管共振特性）を破線で重畳して示す。

両特性を比較すると、コの字型バイパスを有する密閉型イヤホンでは、単純な密閉型イヤホンに比べ、６ｋＨｚ付近の音圧が抑制されていて、比較的フラットな特性を有しており、また音質に影響するような範囲の高域では、１２ｋＨｚ付近でピークを示していることが判る。

図１０において、《鼓膜に印加される音圧》の周波数特性を表す実線のグラフにおいて、６ｋＨｚ付近の中心部の特性のグラフの形状を上に凸として書いているが、実際には密閉イヤホンの設計や装着の状態により、グラフの形状が上に凸になるか下に凸になるかが決まるので、それ自体は重要な点ではない。

ここで大事な点は、本発明により、６ｋＨｚ付近において、大きなピークを示していたものが抑制され、ワーンという響きは無くなることである。一方音質に影響を与える１０ｋＨｚ付近の少し上までの高域の音圧の特性が大幅に強調されているが、人間の耳の特性上、この付近の音圧がかなり強調されても、ワーンという響きにはならず、高音が単に強調された音として聞こえ、耳触りになることはない。

さらに高音域のグラフの右端において、最終的に１５ｋＨｚ付近以上の特性が低下しているが、この領域は本来的に人間の耳にはあまり聞き取れない領域であるので、イヤホンの実際の音質にはほとんど影響を与えない。

すなわち、本発明の放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンにおいて、電気音響変換器から発生する音波を、外耳道に伝達する導音部として、経路長の異なる独立した２つの導音管を具備し、該電気音響変換器から発生し、該２つの導音管を通過した２つの音波が外耳道入口付近の放音口で合成され、該２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数及びその整数倍の周波数の音圧を抑制することができるので、両端閉管共振による望ましくない周波数における音圧ピークを抑制しながら、音域全体の音量の低下を防止できることができる。これによって、イヤホンを装着しない場合と遜色の無い音質を実現できるという効果がある。

外耳道の見取り図 鼓膜位置での音圧−周波数特性 密閉型イヤホンの装着図 密閉型イヤホンの内部構造を示す見とり図 密閉型イヤホンの鼓膜位置での音圧−周波数特性 音響抵抗体を有するイヤホンの断面図 音響抵抗体を有するイヤホン装着時の音圧−周波数特性 導音管のバイパス経路を示す概念図 密閉型イヤホンの導音部伝達関数 バイパス経路を有する密閉型イヤホンの音圧−周波数特性 ２重の筒状部材によって形成した導音部を備えた密閉型イヤホンの断面図 折り返し式の導音管を設置した導音部の見取り図 折り返し式の導音管を設置した導音部の側面図 ４回折り返しの導音管を持つ導音部の立体構造の模式図 各方式の鼓膜位置での音圧―周波数特性

以下、本発明による密閉型イヤホンについて実施例をあげて説明する。

第１の実施例は、放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンにおいて、電気音響変換器から発生する音波を、外耳道入口に伝達する導音部として、経路長の異なる独立した２つの導音管を具備し、該電気音響変換器から発生し、該２つの導音管を通過した２つの音波が外耳道入口で合成され、該２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制し、該２つの導音管の経路差が該外耳道入口と該外耳道奥の鼓膜との間隔に等しいことを特徴とする密閉型イヤホンである。

さらに、本実施例において、該電気音響変換器から発生する音波を、該外耳道入口に伝達する該導音部は２重の筒状部材からなり、外側の第１の筒状部材の内側に嵌合 （かんごう）する第２の筒状部材の外周に、螺旋状の溝が形成され、該第２の筒状部材の内周面をなす直線状の経路である第１の導音管と、該第１の筒状部材の内周面と、該第２の筒状部材の外周に形成した該螺旋状の溝によって構成される経路である第２の導音管とを備えることを特徴とする密閉型イヤホンである。

第１の実施例を図１１で説明する。図１１（ａ）は２重の筒状部材によって形成した導音部を備えた密閉型イヤホンの断面図である。図１１（ｂ）は螺旋状の溝を持つ筒状部材４２の見取り図である。図１１（ｃ）は導音部４の正面図である。

図１１（ａ）に示すように、密閉型イヤホンは、外部匡体１の内部に設置された電気音響変換器２、ならびに電気音響変換器２を外部の増幅器などに接続するためのリード線３、ならびに電気音響変換器２が発生する音波を外耳道に伝達する導音部４、ならびに外耳道に挿入するときのクッションとなり、また同時に外部からの雑音を遮断するイヤーパッド５で構成されている。

導音部４は、図示しない適宜な方法で外部匡体１に固定されている。イヤーパッド５は、その弾性を利用して導音部４の先端部に形成された突起を越えて導音部４に挿入されて固定される。イヤーパッド５は、適宜に交換可能である。

図４に示した従来の密閉型イヤホンにあっては、イヤホン内部の電気音響変換器２から、外耳道に音波を導く導音管は、単純なパイプであった。図１１（ａ）に示す本実施例における導音部４は、外側の第１の筒状部材４１と内側の第２の筒状部材４２の２重の筒状部材からなり、第２の筒状部材の外径は、第１の筒状部材４１の内径に等しく、丁度、第一の筒状部材４１の内側に第２の筒状部材４２がぴったりと嵌合（かんごう）する構成となっている。

外部匡体１は硬質プラスチック等を成型加工して作成される。筒状部材４１および筒状部材４２は、硬質プラスチック、金属等を成型加工、もしくは切削加工して作成される。イヤーパッド５は軟質プラスチックまたはゴムを成型加工して作成される。

電気音響変換器２は、図示しない適宜な方法で外部匡体１に固定されている。電気音響変換器２はコイル２１、永久磁石２２、振動板２３からなる。振動板は磁性金属の薄板で構成する。コイルに音響波形の電流を流すと、振動板が音響波形に従って振動し、図１１（ａ）において図面右方向の導音部４に向かって、音波が放出される。

図１１（ａ）ならびに図１１（ｂ）に示すように、第２の筒状部材４２の中心にある直線状の穴４３が、第１の導音管４３である。

同じく、図１１（ｂ）に示すように、第２の筒状部材４２の外周面には、螺旋状の溝４４を形成してある。第１の筒状部材４１の穴に第２の筒状部材４２を挿入すると、図１１（ｃ）に示すように、第１の筒状部材４１の内周面と、第２の筒状部材４２の外周に形成した螺旋状の溝４４によって第２の導音管４４が構成される。この２つの導音管に、それぞれ音波が入り、通過してゆく。

この第２の導音管４４は螺旋状をしているので、その通路の長さは第２の筒状部材４２の長さより長い。全長に差が有る２つの導音管を、音波が独立に通過し、出口で合流する時、経路の長さの差が２分１波長となる周波数で空気の振動が相殺される結果、音波は減衰し、周波数特性においては当該の周波数の位置に谷が発生する。

本実施例において、必要な数値を実現することができることを以下に示す。
減衰したい目的の周波数である６ｋＨｚの音波の波長λ_ｔは、音速は気温１５℃において約３４０ｍ／ｓであるから、

λ_ｔ＝音速÷周波数
＝３４０（ｍ／ｓ）÷６０００（１／ｓ）
≒０．０５６６（ｍ）

である。

図１１（ａ）において、直線状の第１の導音管４３を通る経路の長さは、すなわち筒状部材４２の長さである。これをＬｍｍとする。螺旋状の第２の導音管４４を通る経路の長さが、計算で求めた波長の２分１の長さである２８．３ｍｍにＬを加えた長さとなればよい。

筒状部材４２の長さをＬｍｍ、直径をＤｍｍとし、螺旋状の溝４５の深さをＳｍｍ、螺旋の巻数をｍ回とする。螺旋状の溝４４の深さの２分１の深さの位置を、螺旋の直径の基準とすると、第２の導音管４４の長さは次式で表せる。

第２の導音管の長さ
＝［｛ｍ×π×（Ｄ−Ｓ）｝^２＋Ｌ^２］^１／２（ｍｍ）

第１の導音管４３の長さは、第２の筒状部材４２の長さと同じＬ（ｍｍ）であるから、第１の導音管４３と第２の導音管４４の長さの差をΔＬとすると、

ΔＬ＝［｛ｍ×π×（Ｄ−Ｓ）｝^２＋Ｌ^２］^１／２−Ｌ（ｍｍ）

となる。

密閉型イヤホンにおいては、例えば、Ｌ＝１０（ｍｍ）、Ｄ＝５（ｍｍ）、Ｓ＝１（ｍｍ）の寸法は、人体３０に装着する寸法として適当である。
このとき、数式８を用いてΔＬの値が２８．３ｍｍになるための螺旋の巻数を求める。

２８．３＝［｛ｍ×π×（５−１）｝^２＋１０^２］^１／２−１０
≒（１５８ｍ^２＋１０^２）−１０

よって
１５８ｍ^２＋１０^２＝（２８．３＋１０）^２

上記の計算式から、ｍ≒２．９（回）が得られる。
これは、プラスチック材料などによって、容易に実現できる値である。

この実施例に示した導音部４の長さは１０ｍｍとしたが、実用上さらに短い導音部４を用いる場合は、導音部４の短さに応じて螺旋の巻数を２．９回より増やせばよい。

これで、第１の導音管４３を通る経路と第２の導音管４４を通る経路の長さの差が２分１波長となり、周波数特性において周波数６ｋＨｚを中心とする位置に谷が発生し、音波を減衰させることができる。

図１５は各方式の鼓膜位置での音圧―周波数特性である。図１５には、人間が特別の対策を有しない単純な密閉型イヤホンを装着した場合に鼓膜に印加される音圧の周波数特性を一点鎖線で、および音響抵抗体を設置した密閉型イヤホンを装着した場合を破線で、本発明による導音部を有する密閉型イヤホンを装着した場合を実線で、重畳して示す。

本発明による密閉型イヤホンを装着した場合は、単純な密閉型イヤホンを装着した場合の音圧の周波数特性における６ｋＨｚ周辺のピークの発生は無くなり、また音響抵抗体を適用した場合の１０ｋＨｚ付近の少し上までの高域での感度の低下、および全域での感度低下は改善されている。

第２の実施例は、放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンにおいて、電気音響変換器から発生する音波を、外耳道入口に伝達する導音部として、経路長の異なる独立した２つの導音管を具備し、該電気音響変換器から発生し、該２つの導音管を通過した２つの音波が外耳道入口で合成され、該２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制することを特徴とする密閉型イヤホンであって、該電気音響変換器から発生する音波を、該外耳道入口に伝達する該導音部において、該電気音響変換器と該外耳道入口の間を直線状の経路で連結する第１の導音管と、該電気音響変換器と該外耳道入口の間を折り返し状の経路で連結する第２の導音管とを備えることを特徴とする密閉型イヤホンである。

第２の実施例を、図１２で説明する。図１２（ａ）は折り返し式の導音管を設置した導音部の見取り図である。図１２（ｂ）は導音管５２の中央を通る仮想的な線を示した見取り図である。

本実施例の密閉型イヤホンの導音部５０以外の構造は、実施例１と同じである。全長に差が有る２つの導音管を、直線状である第１の導音管５１と、折り返し式の経路を持つ第２の導音管５２の組合せによって実現したものである。

図１２（ａ）は、導音部５０の構造を説明する図であり、導音管５２の折り返しが２回の場合を示している。
導音管５１は、円柱形状の導音部５０の左側の正面から入り、直線状に進み、右側の背面に貫通している。

導音管５２は、導音部５０の左側の正面から入り、左右の正面、背面および側面に突き抜けることなく、導音部５０の内部で２回折り返してから、最後は右側の背面に貫通している。

導音管５２は、構造が複雑であるので、図１２（ｂ）によって、折り返し構造を詳しく説明する。これからの説明では、図１２（ａ）の左端に示した３次元直交座標を基準にする。この座標軸は図１２を使った全ての説明に共通である。この座標軸のつくるｘｚ平面は円柱形状の導音部５０の正面、背面と平行であり、ｙ軸は導音部５０の長手方向に平行で、導音部５０の中心を通っている。

図１２（ｂ）では、理解を助けるために、周りのものを全て除いて、導音管５２の中央を通る仮想的な線だけを示してある。導音管５２は、円柱形状の導音部５０の左側の正面にある入口５２１から始まり、次にｙ軸のプラス方向に入側直進路５２２を進む。

次に、導音管５２が導音部５０の画面右側の背面を突き抜ける手前の位置でｘ軸方向に曲がり、横行路５２３をｘ軸のプラス方向に進む。次に、導音管５２が導音部５０の円柱の画面手前の側面を突き抜ける手前の位置で、再びｙ軸方向に曲がり、ｙ軸のマイナス方向に帰行路５２４を進む。

次に、導音管５２が導音部５０の画面左側の正面を突き抜ける手前の位置でｚ軸方向に曲がり、ｚ軸のマイナス方向に縦行路５２５を進む。次に、導音管５２が導音部５０の画面下の側面を突き抜ける手前の位置で、再びｙ軸方向に曲がり、ｙ軸のプラス方向に出側直進路５２６を進む。そのまま進んで右側の背面を突き抜けて、出口５２７に達して終わる。

図１３によって、更に導音管５２の構造を説明する。図１３（ａ）は折り返し式の導音管５２を設置した導音部５０の側面図（左右対称）である。破線は、導音部５０の内部にある導音管５２を、直感的に判り易いように実際の位置でなく、仮想的に示したものである。図１３（ｂ１）ならびに図１３（ｂ６）は導音部５０の正面図ならびに背面図である。図１３（ｂ２）〜図１３（ｂ５）は導音部５０の断面図である。

図１３（ｂ１）は導音部５０を、図面左側からｙ軸のプラス方向に見た、正面図である。ｙ軸を円柱形状の導音部５０の中心線上におくと、導音管５１はｘｚ平面の第３象限の位置にあり、導音管５２はｘｚ平面の第２象限の位置にある。

図１３（ｂ２）は、図１３（ａ)にＢ−Ｂ’で示した位置の断面図である。ｘｚ平面の第３現象には、導音管５１の通路が見え、第２現象には、導音管５１が正面の入口からｙ軸のプラス方面に向かう通路が見え、第１象限には、導音管５２がｙ軸のマイナス方向に戻ってくる通路が見える。さらにｘｚ平面の第４象限には、導音管５２がｙ軸のプラス方向に向かって、図１３（ａ）の右側の背面にある出口へ進む通路が見える。

図１３（ｂ３）は、図１３（ａ）にＣ−Ｃ’で示した位置の断面図である。導音管５２は、ｘｚ平面の第２象限から第１象限に拡がっており、ｘ軸方向に曲がって、第２象限と第１象限を通る通路をつないでいることを示している。

図１３（ｂ４）は、図１３（ａ）にＤ−Ｄ’で示した位置の断面図である。この位置にはＣ−Ｃ’で示した位置の断面図においてｘｚ平面の第２象限から第１象限に拡がっていた導音管５２は見えなくなり、導音管５２はｘｚ平面の第２象限から第１象限の位置では導音部５０の右側の背面には突き抜けていないことが判る。

図１３（ｂ５）は、図１３（ａ）にＡ−Ａ’で示した位置の断面図である。導音管５２は、ｘｚ平面の第１象限から第４象限に拡がっており、ｚ軸方向に曲がって、第１象限と第４象限を通る通路をつないでいることを示している。第４象限を通る通路に達した後、導音管５２は再びｙ軸のプラス方向に進み、図１３（ｂ２）に見えた断面が再び見える。

最後に導音管５２は、円柱形状の導音部５０の右側の背面に達する。このとき、図面右側からｙ軸のマイナス方向に導音部５０を見ると、図１３（ｂ６）の背面図が見える。見る方向が反対側に変わり、ｘ軸の方向が違うが、ｘｚ平面の第３象限に導音管５１が有り、第４象限に導音管５２が有る。

導音部５０は、硬質プラスチック、金属等をいくつかの部材に分けて成型加工、もしくは切削加工して、組み立てることによって作成される。

導音部５０の左側から、２つの導音管のそれぞれを通って音波が入って、導音部５０の右側へ通過してゆく。
第１の導音管５１は直線状であるので、長さは導音部５０と等しい。本実施例の第２の導音管５２は、内部で２回折り返されており、その全長は導音部５０の長さに、折り返し部５３の長さの２倍を加えた長さになる。

実施例１と同じように、２つの導音管の長さの差を、２８．３ｍｍにするには、折り返し部５３の長さを１４．２ｍｍとすればよい。導音部５０の長さは、例えば１６ｍｍであれば、長さが１４．２ｍｍの折り返し部６３を内部に収納できる。

導音部５０の長さが１６ｍｍよりも短いことが望まれる場合は、導音部５０ならびに折り返し部５３の長さを短くして、その代わり折り返しの回数を、例えば４回に増やしても良い。
図１４は、４回折り返しの導音管５２を持つ導音部５０の立体的な構造を模式図として示したものである。導音管５２の立体的な折り返し構造を、理解しやすいように、仮に平面に展開した模式的な断面図である。

この場合は、折り返し部５３の長さを７．１ｍｍとし、導音部５０の長さは、例えば１０ｍｍとすることで目的を達成できる。これによれば２つの導音管の長さの差は約２８．３ｍｍとなり、同じ周波数特性が得られる。

これで、第１の導音管５１を通る経路と第２の導音管５２を通る経路の長さの差が、６ｋＨｚの音波の２分１波長となり、周波数特性において周波数６ｋＨｚを中心とする位置に谷が発生し、音響を減衰させることができる。

本実施例２の効果は、実施例１と同じく、図１５によって示される。詳細の説明は重複するので省略する。

１ 外部匡体
２ 電気音響変換器
３ リード線
４ 導音部
５ イヤーパッド
６ 音響抵抗体
７ 外耳道入口
８ 外耳道
９ 鼓膜
１０ 密閉型イヤホン
１１ 直線状の導音管
１２ コの字型の導音管下降部
１３ コの字型の導音管横行部
１４ コの字型の導音管上昇部
１５ 放音口
２１ コイル
２２ 永久磁石
２３ 振動板
３０ 人体
４１ 第１の筒状部材
４２ 第２の筒状部材
４３ 第１の導音管、穴
４４ 第２の導音管、溝
５０ 導音部
５１ 第１の導音管
５２ 第２の導音管
５３ 折り返し部
５２１ 入口
５２２ 入側直進路
５２３ 横行路
５２４ 帰行路
５２５ 縦行路
５２６ 出側直進路
５２７ 出口

Claims (4)

1. 放音部を外耳道入口に挿入して用いる密閉型イヤホンにおいて、
   電気音響変換器から発生する音波を、外耳道入口に伝達する導音部として、
   経路長の異なる独立した２つの導音管を具備し、
   該電気音響変換器から発生し、該２つの導音管を通過した２つの音波が外耳道入口で合成され、
   該２つの導音管の経路差を２分１波長とする周波数の音圧を抑制することを
   特徴とする密閉型イヤホン。
2. 請求項１に記載の密閉型イヤホンであって、
   該２つの導音管の経路差が該外耳道入口付近に位置する該密閉型イヤホンの放音口と該外耳道奥に位置する鼓膜との間隔にほぼ等しく、該放音口と該鼓膜の間に構成される両端閉管共振空間の第１次共振周波を抑圧することを特徴とする密閉型イヤホン
3. 請求項１に記載の密閉型イヤホンであって、
   該電気音響変換器から発生する音波を、該外耳道入口に伝達する該導音部は２重の筒状部材からなり、
   外側の第１の筒状部材の内側に嵌合（かんごう）する第２の筒状部材の外周に、螺旋状の溝が形成され、
   該第２の筒状部材の内周面をなす直線状の経路である第１の導音管と
   該第１の筒状部材の内周面と、該第２の筒状部材の外周に形成した該螺旋状の溝によって構成される経路である第２の導音管とを
   
   備えることを特徴とする密閉型イヤホン。
4. 請求項１に記載の密閉型イヤホンであって、
   該電気音響変換器から発生する音波を、該外耳道入口に伝達する該導音部において、
   該電気音響変換器と該外耳道入口の間を直線状の経路で連結する第１の導音管と、
   該電気音響変換器と該外耳道入口の間を折り返し状の経路で連結する第２の導音管とを備えることを特徴とする密閉型イヤホン。