JP4881896B2 - ノイズキャンセル装置、ノイズキャンセル方法 - Google Patents

Description

本発明は外来ノイズを低減させるノイズキャンセル装置及びノイズキャンセル方法に関するものである。

特開平８−２３７７８８号公報 特開平１０−１１９０１号公報 特許第３５６１９２０号公報

現在、ヘッドホン（イヤホン）を用いて音楽等を聴取するシステムでノイズキャンセル機能が広く実用化されている。この場合のノイズキャンセル機能の実現方法は、リスニングポイントである、ユーザの耳の位置にノイズ収集用のマイクロホンを配置し、このマイクロホンで得られる音声信号（外来ノイズの音声信号）を位相反転させる。そして位相反転された信号（逆相ノイズ信号）を、ヘッドホンのスピーカから出力させる。

図５に、このような方式のノイズキャンセル動作を概略的に示している。
図５（ａ）に示すスピーカ３０は、例えばヘッドホンやイヤホンに設けられるスピーカとする。ユーザは耳にヘッドホンを装着することとなるため、スピーカ３１からの出力音のリスニングポイントＰＬは、そのスピーカ３１の直前の殆ど離間していないポイントとなる。この場合、ノイズキャンセルを実現するために、ヘッドホン（或いはイヤホン）にマイクロホン３１を設けるが、このマイクロホン３１は、リスニングポイントＰＬの極近傍（つまりユーザの耳とほぼ同じ位置）に配置することができる。

ユーザの聴取環境には、外部の騒音その他の外来ノイズが到来する。なお外来ノイズは通常、そのノイズ源となる各種の音源がリスニングポイントＰＬから十分に離れていることにより、その音波は平面波として到来すると考えて良い。この場合、リスニングポイントＰＬの付近一帯ではノイズレベルの差はほとんど無いものとなる。
これは、音声波は、音源から球面波として放射され、その音源付近での音圧レベルは、音源からの距離に応じて著しく減衰していくが、音源から遠くなるほど、距離に応じた減衰量としては僅かになっていき、ほぼ平面波とみなせる距離では、多少の距離差による音圧レベルの違いはほとんど無くなるためである。

今、図５（ｂ）のように、到来するノイズのレベルが「１」であると考える。
このノイズをマイクロホン３１で集音し、内部回路で位相反転させて逆相ノイズ信号を生成し、スピーカ３０から出力する。スピーカ３０から出力される音声は、球面波として放射され、そのスピーカ３０の周辺では、距離に応じた音圧レベルの減衰の程度は大きい。
しかしながら、リスニングポイントＰＬが、スピーカ３０から殆ど離れていなければ、スピーカ３０からの出力音のリスニングポイントＰＬでの減衰量は小さい。
このためスピーカ３０から出力される逆相ノイズは、リスニングポイントＰＬでは、例えば図５（ｃ）の音圧レベル「０．９」程度（−１ｄＢ）として考えることができる。
すると、リスニングポイントＰＬでは、外来ノイズが、逆相ノイズによって適度に打ち消されることになり、リスニングポイントＰＬでの残ノイズレベルは図５（ｄ）のように例えば−２０ｄＢ程度とすることできる。
即ち、ユーザが感じる外来ノイズを適切に低減させることができる。

以上のようなノイズキャンセルは、ヘッドホン又はイヤホンを用いるシステムであることで、好適に実現できたものである。
つまり、ノイズの観測点であるマイクロホン位置をリスニングポイントＰＬであるユーザの耳の位置とほぼ同じ位置に設置することが可能で、これにより耳の位置で最適なキャンセル効果を出せる様、スピーカ３０からキャンセル信号（逆相ノイズ信号）を出力させることができるためである。

ここで、例えば自動車内などでノイズキャンセルを実現することを考える。
ただし、車の中でノイズキャンセルを実現したい場合、ヘッドホンを運転者等の搭乗者に装着することは安全上等の理由から不適切である。
このため車の中の様な環境では、頭部に直接スピーカやマイクロホンを装着するのではなく、搭乗者の耳から離れた位置、例えば座席のヘッドレストや天井等にマイクロホンやスピーカを装着し、その上で、搭乗者の耳という、マイクロホンやスピーカから離れたリスニングポイントでノイズキャンセル効果を出す必要がある。

しかしながら、ノイズを集音するマイクロホンとリスニングポイントが離れている場合、マイクロホン位置で集音されたノイズに基づくノイズキャンセル用の逆相ノイズ信号をスピーカから出力したとき、リスニングポイントで観測される逆相ノイズ信号の音圧レベルは、距離が離れたことで減衰するため、適切にノイズキャンセル効果が得られなくなる。

これを図６で説明する。
図６（ａ）に示すように、リスニングポイントＰＬ（ユーザの耳の位置）は、スピーカ３０の放音面から例えば１５ｃｍ程度離れているとする。またマイクロホン３１は、上記図５の場合と同様、スピーカ３０の直前位置に配置されているとする。
平面波としての外来ノイズの音圧レベルは、上述の理由から、マイクロホン３１の位置と、リスニングポイントＰＬで、殆ど差はない。
そしてノイズレベルは図６（ｂ）のように「１」であるとする。
この場合、マイクロホン３１で集音された外来ノイズは、内部回路で逆相ノイズ信号とされてスピーカ３０から出力される。
ところが、その逆相ノイズとしての音波は、スピーカ３０から球面波として出力された直後、その距離に応じて大きく減衰していく。例えば１５ｃｍ離れたリスニングポイントでは、逆相ノイズの音圧レベルは図６（ｃ）のように「０．３２」（−１０ｄＢ）となる。
すると、リスニングポイントＰＬでの残ノイズレベルは、逆相ノイズによる打ち消し効果が著しく小さくなり、図６（ｄ）に示すように−３．３ｄＢとなる。上記図５（ｄ）と比較してわかるように、適切なノイズキャンセル効果が得られない。

このように、ヘッドホン等を用いないシステムでは、ノイズキャンセル効果を適切に得ることができないが、これに鑑み本発明は、ヘッドホン等を用いなくても、つまりノイズを集音するマイクロホンをリスニングポイント直近に配置できない場合でも、適切にノイズキャンセル効果を得ることができるようにする技術を提供することを目的とする。

本発明のノイズキャンセル装置は、マイクロホンと、上記マイクロホンによって得られる音声信号を位相反転させる逆相回路と、上記逆相回路で得られる逆相音声信号が供給されて音声出力を行い、該音声出力が球面波として放射されるスピーカと、を備え、上記スピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、上記マイクロホンは、上記スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置されているようにする。

本発明のノイズキャンセル方法は、音声出力が球面波として放射されるスピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、マイクロホンを、スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置し、上記マイクロホンで得られる音声信号を位相反転させ、位相反転された逆相音声信号を上記スピーカに供給して音声出力を行う。

スピーカ出力音は、所定距離離れたリスニングポイントにおいて減衰するが、音波が球面波として放射されるスピーカ近辺には、スピーカ出力音の音圧レベルが上記リスニングポイントとほぼ同等の減衰を示すポイントが発生する。
マイクロホンで集音される音は、外来ノイズとスピーカ出力音（つまりノイズキャンセルのための逆相ノイズ）の差分としての音となるが、上記ポイント（スピーカ出力がリスニングポイントとほぼ同等の減衰を示すポイント）にマイクロホンを配置すると、そのマイクロホンで集音される音は、リスニングポイントにおいてユーザが聴感する残ノイズレベルと同等となる。
従って、そのマイクロホンで集音される音について位相反転して逆相音声信号（逆相ノイズ信号）を生成し、スピーカ出力させると、それは、リスニングポイントでの残ノイズ成分を低減させる出力となる。

本発明によれば、マイクロホンで集音したノイズから逆相音声信号（逆相ノイズ信号）を生成し、スピーカ出力させるという簡易な手法において、リスニングポイントがスピーカ及びマイクロホンから離れている場合であっても、そのリスニングポイントで適切なノイズキャンセル効果を発揮させることができるようになる。
これにより、例えば自動車内、飛行機内などでヘッドホン等を使用しない場合でも、ノイズキャンセルによりユーザがノイズをあまり感じない環境を作り出すことができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施の形態のノイズキャンセル装置の構成を示している。
本例のノイズキャンセル装置は、スピーカ１に対してマイクロホン２が後述する所定の位置に配置されている。またマイクアンプ４及び反転アンプ５による逆相回路３が設けられる。
マイクロホンで得られる音声信号ＳＡは、逆相回路３によって位相反転され、逆相音声信号ＳＢとなる。この逆相音声信号ＳＢがスピーカ１に供給されて出力される。

図１におけるリスニングポイントＰＬとは、例えばユーザの耳の位置をに相当する。
図２（ａ）は、例えばスピーカ１，マイクロホン２が、自動車等の座席のヘッドレスト内に取り付けられている状態を示しているが、例えば図２（ｂ）のようにユーザが座る状況を考えると、スピーカ１の放音面からユーザの耳の位置は、１５ｃｍ程度離れるものとなる。
図１のリスニングポイントＰＬは、このようにスピーカ１の正面から１５ｃｍ程度離れた位置を想定している。

外来ノイズは、図１に破線で示すように、平面波としてユーザの周囲及びマイクロホン２に到来する。
また、スピーカ１の出力音は球面波として放射され、リスニングポイントＰＬに到達すると共に、マイクロホン２にも到達する。
従って、マイクロホン２では、外来ノイズとスピーカ出力音が集音される。つまり外来ノイズとスピーカ出力音とについての逆相成分については、打ち消された状態の音が集音され、それが音声信号ＳＡとして得られる。そして逆相回路３で逆相音声信号ＳＢが生成され、スピーカ１から出力される。
本例では、このようなフィードバック系において、リスニングポイントＰＬでのノイズキャンセル効果を得る。

ここで図３を参照する。
図３（ａ）は口径２０ｃｍのスピーカ１をエンクロージャーに入れずに、裸の状態で音圧を測定した結果を示している。ここでは、スピーカの正面右側の領域として、スピーカ出力音声について測定される音圧（ｄＢ）の等音圧曲線を示している。
スピーカ１から出力される信号は球面波であるため、この等音圧曲線が示す様に、距離が離れるとともに拡散し、減衰する。
一般に、スピーカ１から出力される音圧レベルは、スピーカ１からの距離の二乗に反比例して減衰するとされている。
図１のように、リスニングポイントＰＬ（ユーザの耳の位置）が、仮にスピーカ１から１５ｃｍ程度離れているとする場合、その距離に応じた減衰が観測される。
図３（ａ）の実際の実験において、ある音圧のスピーカ出力を行った際に、スピーカ直前の位置Ｐｆで６ｄＢ程度、１５ｃｍの位置で−５ｄＢ程度という結果が得られた。つまり音源から１５ｃｍの距離では、１０ｄＢ以上の減衰が確認されている。

ここで、１５ｃｍ離れた位置をリスニングポイントＰＬとする状況において、仮にスピーカ直前位置Ｐｆにマイクロホンを配置し、外来ノイズと集音（つまりスピーカ出力と外来ノイズの差分を集音）したとする。すると、その逆相音声信号がスピーカ１から出力されるようにしても、リスニングポイントＰＬにおいては逆相音声信号の音圧は１０ｄＢ程度減衰する。これは、結果的に図６で述べた状況となり、つまりリスニングポイントＰＬにおいて有効なノイズキャンセル効果が得られない状態である。

そこで本実施の形態では、マイクロホン２の配置位置を工夫することでリスニングポイントＰＬでのノイズキャンセル効果が好適に得られるようにする。
例えば図２のような環境を考えると、リスニングポイントＰＬはスピーカ１から１５ｃｍ程度の位置である。実際上、マイクロホン２は、図示のようにスピーカ１と同じくヘッドレスト内など（ヘッドレスト内に限られるものではないが、いずれにしてもユーザの耳から離れた位置）に配置せざるを得ない。なぜなら、マイクロホン２を、例えばアーム等に取り付けて耳の直近に配置することは現実問題として適切ではないし、そのような位置に配置することはユーザにとってマイクロホン２の存在が不快にもなるためでもある。

ここで図３の測定結果をみてみると、スピーカ１の最外周付近およびその外側では、スピーカ１の正面方向に比較し、狭い等音圧曲線を描く。そしてスピーカ１の最外周近辺のポイントＰｍは、正面１５ｃｍのリスニングポイントＰＬとほぼ等しい音圧レベルとなっている。
一方、平面波で到来する外来ノイズの音圧レベルは、リスニングポイントＰＬとポイントＰｍで殆ど差はない。つまり、ポイントＰｍと、リスニングポイントＰＬは、スピーカ出力音圧とノイズレベルの関係がほぼ同じ条件となっている。つまりポイントＰｍはリスニングポイントと同等のノイズ環境となっている。
そこで、図３（ｂ）のように、図３（ａ）に示すポイントＰｍに相当する位置にマイクロホン２を配置させる。

するとマイクロホン２では、リスニングポイントＰＬと同条件での、スピーカ出力と外来ノイズの差分が集音されることになる。
図１の系はフィードバックループとなっており、マイクロホン２で得られた音声信号が逆相音声信号とされてスピーカ１から出力されるようにしてノイズをキャンセル或いは減衰させる。そしてキャンセル後に残る残留ノイズ（即ちスピーカ出力と外来ノイズの差分）は再度マイクロホン２から集音され、回路の系にフィードバックされる。
従って、図１の回路は、ポイントＰｍにおけるノイズキャンセルとして有効に機能するが、結局それは、リスニングポイントＰＬでもポイントＰｍと同様に十分なノイズキャンセル効果が表れることとなる。

以上のように本例では、スピーカから例えば１５ｃｍという所定距離だけ離れている特定のリスニングポイントＰＬを考えた場合に、スピーカ１の出力音圧レベルとして、リスニングポイントＰＬ以外であってリスニングポイントＰＬの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られるポイントＰｍに、マイクロホン２を配置したうえで、図１の構成を採ることで、スピーカ１及びマイクロホン２から離れたリスニングポイントＰＬでのノイズキャンセル効果を改善させることができる。

図４は、スピーカ１の外周周辺（つまりポイントＰｍ）にマイクロホン２を取り付けた場合の、スピーカ１の前面でのノイズレベルを測定した等音圧曲線を示している。
図中には各地点でのノイズレベルを示しており、この図における最外周近辺ではノイズレベル１１〜１２ｄＢ程度となっている。
これに比較してスピーカ１の前面１５ｃｍ付近でのノイズレベルは２ｄＢ程度となっており、約１０ｄＢのノイズキャンセル効果が得られていることがわかる。

本例によれば、このようにスピーカ１及びマイクロホン２から離れたリスニングポイントＰＬで十分なノイズキャンセル効果を得ることができることで、例えば自動車内での図２のような環境において、ユーザにノイズをあまり感じさせない状況を作り出すことができる。即ち自動車、航空機、列車などで有効なノイズキャンセル装置となる。
もちろんヘッドホン等をユーザに装着させる必要がないこと、或いはマイクロホン２をユーザの耳元に配置する必要がないことなどで、多様な環境において採用しやすいものでもある。

なお、上記例ではリスニングポイントＰＬがスピーカ１から１５ｃｍ離れているという状況で説明したが、もちろんリスニングポイントＰＬがスピーカからどの程度離れているかは、本例のノイズキャンセル装置を搭載する自動車等や、そのスピーカ１の設置位置などによって変化する。例えば自動車のダッシュボードや天井などにスピーカ１及びマイクロホン２を配置する場合、リスニングポイントＰＬがスピーカ１から２０〜３０ｃｍ程度となる場合もある。従って、実際には、本例のノイズキャンセル装置を設置する環境（設置する車種等）を想定して、マイクロホン２の位置を設定することになる。即ち図３の等音圧曲線からわかるように、スピーカ１の前方で各種の距離として想定したリスニングポイントＰＬと同等の音圧レベルとなる位置は、スピーカ１の近傍に存在するため、該当位置においてマイクロホン２が配置されるようにすればよい。
また、例えば座席や天井等に設置する場合、ユーザの座り方や座高などによって、マイクロホン２の最適な位置は変化するため、マイクロホン２の位置を微調整できるような機構を設けても良い。

本発明の実施の形態のノイズキャンセル装置の構成の説明図である。 実施の形態のノイズキャンセル装置の具体的設置状況の説明図である。 実施の形態のマイクロホン配置位置の説明図である。 実施の形態のノイズキャンセル装置による効果の説明図である。 リスニングポイントがスピーカ及びマイクに近い場合のノイズキャンセル効果の説明図である。 リスニングポイントがスピーカ及びマイクから離れている場合にノイズキャンセル効果が低下する場合の説明図である。

符号の説明

１ スピーカ、２ マイクロホン、３ 逆相回路、４ マイクアンプ、５ 反転アンプ

Claims (2)

1. マイクロホンと、
   上記マイクロホンによって得られる音声信号を位相反転させる逆相回路と、
   上記逆相回路で得られる逆相音声信号が供給されて音声出力を行い、該音声出力が球面波として放射されるスピーカと、
   を備え、
   上記スピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、
   上記マイクロホンは、上記スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置されている
   ノイズキャンセル装置。
2. 音声出力が球面波として放射されるスピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、マイクロホンを、スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置し、
   上記マイクロホンで得られる音声信号を位相反転させ、
   位相反転された逆相音声信号を上記スピーカに供給して音声出力を行う
   ノイズキャンセル方法。

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