JP4942555B2 - ノイズキャンセルヘッドホン - Google Patents

Description

本発明は、ノイズのキャンセル音を生成し楽音と合成することでノイズキャンセル処理を行なうノイズキャンセルヘッドホンに関するものであって、特に、ノイズの入力レベルが過大であっても最適なキャンセル処理を行なうことができるノイズキャンセルヘッドホンに関するものである。

様々な形態の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ホンもより高性能のものが求められ、さらに、街頭や乗り物の中で音楽を聴こうとする場合に、周囲の騒音に邪魔されることなく、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ホ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耳に入ると、ヘッドホンで再生される音楽が高音質のものであっても、騒音によってかき消されてしまい、高音質の音楽を楽しむことができなくなるからである。また、騒音の中で音楽を聴こうとすると、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ヘッドホンから外に向かって音漏れが生じ、乗り物などの中では周囲の人たちにとって不愉快な騒音源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ホンが普及し始めている。

最近では、アナログ方式やデジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンが提案されている。そのうち、デジタル方式の構造例を図３に示す。図３において、符号１０はキャンセル信号を生成するＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）を中心として構成されるキャンセル信号生成手段（以下「ＣＰ」とする）である。図３は左右一対で構成されるノイズキャンセルヘッドホン筐体の片側のみを示した概略図である。ヘッドホンユニット１には、当該ノイズキャンセルヘッドホンの利用者の周囲のノイズＮを集音するためのヘッドホンユニット１の外側に向けて設置されたマイク１００と、ヘットホンユニット１の一部に設けた貫通孔１０２と、マイク１００が集音したノイズＮに対するキャンセル信号を生成し、音源から入力された再生信号Ｓを混合するＣＰ１０と、ＣＰ１０の出力を利用者の耳２００に向けて出力するスピーカ１０１が備わっている。また、ヘッドホンユニット１にはＣＰ１０の駆動電源である図示しない電池が収まっている。

図３に示すように、マイク１００をヘッドホンユニットの外側に向けて設置するタイプは、ＣＰ１０内部に具備するＤＳＰにおいて、予め決められたフィルター係数によってキャンセル量を算出して、キャンセル信号を生成する方法が用いられる。デジタルノイズキャンセルヘッドホンには上記のタイプの他に、マイク１００をヘッドホンユニットの内側に向けて設置するタイプがある。このタイプの場合は、ヘッドホンユニット１を透過したノイズＮと音源からの再生信号Ｓをマイク１００が集音し、ＣＰ１０が具備するＤＳＰにおいて、この集音した信号から再生信号Ｓを差し引いた信号によってノイズキャンセル信号を生成する。

図４はＣＰ１０の機能ブロック図である。図４において、ＣＰ１０は、マイク１００が集音したノイズＮをデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１１と、Ａ／Ｄコンバータ１１と、デジタル信号に変換されたノイズＮとキャンセル信号を生成するために必要となるフィルター係数によりキャンセル信号を生成する積和演算器を具備するＤＳＰ１２と、キャンセル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１３と、アナログ信号に変換されたキャンセル信号と音源Ｓから入力されるオーディオ信号を混合してスピーカ１０１に出力するミキサ１４とを有してなる。

上記従来型のヘッドホンユニット１において、マイク１００が、大音量のノイズＮを捉えると、マイク１００から過大な電圧レベルのノイズＮがＣＰ１０に入力されることになる。このような過大な電圧レベルのノイズＮがＣＰ１０に入力されると、ノイズＮをデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ１１がオーバーフローを起こし、入力されたノイズＮに対して正常なデジタル信号を生成することができなくなる。

キャンセル信号は、Ａ／Ｄコンバータ１１が生成するデジタル信号に基づいて生成されるので、Ａ／Ｄコンバータ１１がオーバーフローを起すと、入力されたノイズＮに対して有効なキャンセル信号を生成することができなくなる。また、Ａ／Ｄコンバータ１１自体がオーバーフローによるノイズを発生し、ノイズＮの他にＣＰ１０において別のノイズを発生させることになる。

このような過大な入力に対して回路を正常に動作させるための種々の発明がなされている。入力電圧が過大であると内部回路を破損する恐れがあることから、過大入力保護回路を設けて、入力値に応じて当該保護回路を動作させる発明が知られている（例えば特許文献１参照）。また、デジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいて、集音する周囲雑音のレベルが高いと信号レベルに飽和が生じるため生成されるノイズキャンセル信号に歪みが生じ、また、入力信号が過小であると、ノイズを除去する処理性能の低下につながるため、ノイズを集音するマイクロホンの出力信号レベルが一定となるように、信号レベル調整手段を有するノイズキャンセルヘッドホンが知られている（例えば特許文献２参照）。

特許第３６８０７８２号公報 特許第３２６８４０８号公報

しかし上記の文献に記載されている技術を用いて過大な入力信号（ノイズＮ）を調整し、キャンセル信号の生成処理を正常に行なうようにした場合、別の課題が生じる。すなわち、キャンセル信号は調整された入力信号を元にして生成されるのであるから、本来のノイズＮのレベルには対応していないキャンセル信号となる。つまり、ノイズＮをキャンセルする効果が低いキャンセル信号が生成されることになる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、ノイズＮが過大である場合には、Ａ／Ｄコンバータがオーバーフローを起さない程度に信号レベルを減衰させ、生成されたノイズキャンセル信号に対して、前段の減衰処理に対応した増幅処理を行なうことで、過大なノイズＮに対しても効果的なキャンセル信号を生成することができるノイズキャンセルヘッドホンを提供することを目的とする。

本発明は、周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、オーディオ信号と上記キャンセル信号を混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおいて、上記キャンセル信号生成手段は、上記騒音信号が過大入力であるか否かを判定する判定手段，上記判定手段が過大入力であると判定した騒音信号を減衰させる減衰器，上記判定手段が過大入力であると判定し減衰された騒音信号によって生成されたキャンセル信号を増幅する増幅器を有することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、ノイズキャンセルヘッドホンにおいて、集音した周囲ノイズが過大である場合、入力するノイズレベルを減衰器によって減衰させ、それに基づいて生成したキャンセル信号を増幅することで、正常なキャンセル信号を生成することができるので、効果的なノイズキャンセル処理を行なうことができるようになる。過大入力に起因してＡ／Ｄコンバータで発生するノイズを防止することができる。

本発明に係るノイズキャンセルヘッドホンについて図を用いて説明する。本発明の特徴は図３に示したノイズキャンセルヘッドホンが具備するキャンセル信号生成手段（ＣＰ）の内部構成にある。従って以下において、本発明に係るノイズキャンセルヘッドホンが具備するキャンセル信号生成手段（ＣＰ）について説明をする。図１は、本発明にかかるキャンセル信号生成手段の構成の例を示す機能ブロック図である。背景技術において用いた図４におけるＣＰ１０の内部構成部分と同一の構成部分には同一の符号を付し、その部分の説明は省略する。

図１において、キャンセル信号生成手段（ＣＰ）２０は、前述のＣＰ１０を構成する各手段に加えて、マイク１００から入力されるノイズＮの信号レベルを検出し、ＣＰ２０への入力として過大な電圧レベルであるか否かを判定する信号検出器１５と、信号検出器１５によって過大な電圧レベルであると判定された場合、当該ノイズＮを減衰させる減衰器１６と、信号検出器１５によって過大電圧レベルであると判定され減衰器１６によって減衰された当該ノイズＮによって生成されたキャンセル信号を増幅させる増幅器１７を有している。減衰器１６は、マイク１００とＡ／Ｄコンバータ１１の間におかれていて、マイク１００から入力されるノイズＮのアナログ信号を減衰させることができるように構成されている。増幅器１７は、Ｄ／Ａコンバータ１３によってアナログ信号に変換されたキャンセル信号を増幅してミキサ１４に入力するように構成されている。

信号検出器１５は、ノイズＮの電圧レベルを検出して予め規定している閾値を超えるか否かを判定し、その判定結果によって減衰器１６と増幅器１７の動作を制御する手段である。ノイズＮが閾値を超えている場合には、当該ノイズＮを減衰するように減衰器１６を動作させ、併せて、減衰させたノイズＮに基づくキャンセル信号を増幅するように増幅器１７を動作させる。減衰器１６の減衰率と増幅器１７の増幅率が可変である場合には、上記の動作指示と併せてノイズＮの電圧レベルを、減衰器１６及び増幅器１７に通知する。

減衰器１６は、信号検出器１５の指示によって動作して、ノイズＮの電圧レベルを減衰させる。減衰率は固定であっても、可変値であってもよい。減衰率が可変値である場合、信号検出器１５の指示と同時に通知されるノイズＮの電圧レベルに応じて減衰率を決定する。

増幅器１７は、信号検出器１５の指示によって動作して、減衰させたノイズＮによって生成したキャンセル信号の電圧レベルを増幅する。増幅率は、固定値であっても、可変値であってもよい。増幅率が可変である場合、信号検出器１５の指示と同時に通知されるノイズＮの電圧レベルに応じて増幅率を決定する。

次に本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンが用いるキャンセル信号生成方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。図２において、各処理のステップは（２０１）、（２０２）、・・・のように表示して説明する。また、当該実施例における減衰率と増幅率は固定値であるものとする。まず、ある時間ｔにおいてマイク１００から入力されたノイズＮ（以下「ｘ（ｔ）」とする）が、Ａ／Ｄコンバータ１１の入力として過大であるか否かを信号検出器１５が判定する（２０１）。ｘ（ｔ）がＡ／Ｄコンバータ１１の入力として過大なレベルではなければ（２０１のＹ）、このｘ（ｔ）は、減衰器１６を通過してＡ／Ｄコンバータ１１においてデジタル信号に変換され、このデジタル信号に基づいてＤＳＰ１２によってキャンセル信号を生成する。生成されたキャンセル信号はＤ／Ａコンバータ１３によってアナログ信号に変換され、増幅器１７を通過してミキサ１４に入力される（２０２）。ミキサ１４は音源からの再生信号Ｓと上記キャンセル信号を混合しスピーカ１０１に出力する。

ｘ（ｔ）がＡ／Ｄコンバータ１１の入力として過大なレベルであると、信号検出器１５が判定した場合（２０１のＮ）、減衰器１６を動作させてｘ（ｔ）を規定された減衰率によって減衰させてＡ／Ｄコンバータ１１に入力する（２０３）。Ａ／Ｄコンバータ１１は、減衰したｘ（ｔ）をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に基づいてＤＳＰ１２がキャンセル信号を生成する。生成されたキャンセル信号はＤ／Ａコンバータ１３によってアナログ信号に変換されて増幅器１７に入力される。増幅器１７は、信号検出器１５の指示によって上記入力されたキャンセル信号を規定された増幅率によって増幅した後にミキサ１４に入力する（２０５）。ミキサ１４は音源Ｓと上記キャンセル信号を混合しスピーカ１０１に出力する。

次に、減衰率及び増幅率が可変である場合の実施例を説明する。先ず、マイク１００から入力されたノイズＮにおけるｘ（ｔ）が、Ａ／Ｄコンバータ１１の入力として過大であると信号検出器１５において判定された場合、信号検出器１５は、減衰器１６及び増幅器１７への動作指示とともに、ｘ（ｔ）の電圧レベルを通知する（２０１のＮ）。

減衰器１６は、信号検出器１５の動作指示と共に通知されたｘ（ｔ）の電圧に応じて減衰率を決定してｘ（ｔ）を減衰させ、Ａ／Ｄコンバータ１１に入力する（２０３）。Ａ／Ｄコンバータ１１は入力されたｘ（ｔ）をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に基づいてＤＳＰ１２においてキャンセル信号を生成し、Ｄ／Ａコンバータ１３によってこのキャンセル信号はアナログ信号に変換されて増幅器１７に入力される（２０４）。増幅器１７は、信号検出器１５の動作指示と共に通知されたｘ（ｔ）の電圧に応じて増幅率を決定して上記キャンセル信号を増幅し、ミキサ１４に入力する（２０５）。ミキサ１４は音源Ｓと上記キャンセル信号を混合しスピーカ１０１に出力する。

上記のように、マイク１００が捉えたノイズＮがＡ／Ｄコンバータ１１にとって過大な入力レベルであれば、所定の減衰処理をして、正常にキャンセル信号を生成した後に、キャンセル信号を上記減衰処理の減衰率に応じた増幅率で増幅処理をすることができるので、効果的なノイズキャンセルをすることができる。また、過大なノイズＮをマイク１００が捉えた場合であっても、Ａ／Ｄコンバータのオーバーフローによるノイズを防止することができる。

本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンにおけるノイズキャンセル回路の例を示すブロック図である。 上記ヘッドホンのノイズキャンセル処理の例を示すフローチャートである。 ノイズキャンセルヘッドホンの構造の例を示す概略図である。 従来のノイズキャンセルヘッドホンの例を示すブロック図である。

符号の説明

２０ ＣＰ
１５ 信号検出器
１６ 減衰器
１７ 増幅器

Claims (5)

1. 周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、オーディオ信号と上記キャンセル信号を混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおいて、
   上記キャンセル信号生成手段は、
   上記騒音信号が過大入力であるか否かを判定する判定手段、
   上記判定手段が過大入力であると判定した騒音信号を減衰させる減衰器、
   上記判定手段が過大入力であると判定し、減衰された騒音信号によって生成されたキャンセル信号を増幅する増幅器を有することを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
2. 上記増幅器は、上記減衰器における減衰量のみを増幅させることを特徴とする請求項１記載のノイズキャンセルヘッドホン。
3. 上記減衰器における減衰率は、固定値であることを特徴とする請求項１または２に記載のノイズキャンセルヘッドホン。
4. 上記増幅器における増幅率は、固定値であることを特徴とする請求項１または２に記載のノイズキャンセルヘッドホン。
5. 上記減衰器における減衰率は、騒音信号の入力レベルに応じて可変する値であって、上記増幅器における増幅率は、減衰器における減衰率に同期して可変する値であることを特徴とする請求項１に記載のノイズキャンセルヘッドホン。