JP5401760B2 - ヘッドフォン装置、音声再生システム、音声再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばユーザが頭部に装着して使用するヘッドフォン装置と、このようなヘッドフォン装置を備えて音声再生を行うようにされた音声再生システムと、これらヘッドフォン装置や音声再生システムに適用される音声再生方法に関するものである。

ヘッドフォン装置により楽曲などのコンテンツの音声を再生しているときに聴こえてくる外部のノイズをキャンセルすることのできる、ヘッドフォン装置対応のいわゆるノイズキャンセリングシステムが知られ、また、実用化されるようになってきている。そして、このようなノイズキャンセリングシステムとしては、大別してフィードバック方式とフィードフォワード方式との２つの方式が知られている。

例えば、特許文献１には、ユーザの耳に装着される音響管内においてイヤホンユニットの近傍に設けたマイクロホンユニットにより収音した音響管内部の騒音（ノイズ）を位相反転させた音声信号を生成し、これをイヤホンユニットから音として出力させることにより、外部ノイズを低減させるようにした構成、つまり、フィードバック方式に対応したノイズキャンセリングシステムの構成が記載されている。
また、特許文献２には、その基本構成として、ヘッドフォン装置外筐に取り付けたマイクロフォンにより収音して得た音声信号について所要の伝達関数による特性を与えてヘッドフォン装置から出力させるようにした構成、つまりフィードフォワード方式に対応したノイズキャンセリングシステムの構成が記載されている。

特開平３−２１４８９２号公報 特開平３−９６１９９号公報

ところで、これまでに知られているヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムでは、左右に対応してそれぞれ１つのマイクロフォンを設け、各マイクロフォンにより、できるだけ周囲全体のノイズを収音し、これをキャンセルできるように構成している。つまり、ヘッドフォン装置を装着するユーザを取り巻く全方向から到来してくるノイズがキャンセルされるようにしているものである。
このようにして全方向からのノイズがキャンセルされるようにすれば、単純に、コンテンツの再生音声を聴く分には非常に好ましいリスニング環境が得られることになる。しかし、その反面、例えばユーザにとって死角になる横や後ろ方向からの音が聞こえてこないことになるので、屋外での交通の多いような場所で使用しているときなどは、例えばユーザは、安全により注意を払わねばならなくなる。
また、ヘッドフォン装置を使用しているときの環境によっては、正面を向いている人の声だけは聞こえるようにしたうえで、他の方向からのノイズ、騒音についてはキャンセルしたいというような場合もあると考えられる。
つまり、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムを使用するのにあたっては、そのときの使用環境や用途などに応じて、特定方向からの音声だけはキャンセルが行われないようにすることが求められる場合がある。そこで、本願発明としては、このような要求に応えたノイズキャンセリングシステムを提供することをその課題とする。

上記の課題を解決するために本願発明としては、ヘッドフォン装置として次のように構成する。
つまり、外部音声を収音するようにして設けられる収音部と、上記収音部により得られる音声信号として、所要の指向特性により上記外部音声を収音したものとされる音声信号である、指向収音音声信号が得られる結果となるようにするキャンセル系フィルタ部よりなる指向性設定手段と、ヘッドフォン装着者の耳の位置に対応させるようにして設けられ、駆動信号により駆動されることで音を出力するようにされたスピーカと、上記スピーカから音として出力させた場合に、上記指向収音音声信号に対応する音声成分が上記ヘッドフォン装着者の耳の近傍において設定した所定の空間位置にてキャンセルされるようにするためのキャンセル用音声信号を生成するキャンセル用音声信号生成手段と、上記キャンセル用音声信号を少なくとも成分として含むもので、上記スピーカから出力させるべき音声に対応する音声信号を入力して上記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、を備え、上記収音部として、少なくとも、上記指向性設定手段により設定される指向特性に応じて特定される、特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数のマイクロフォンを設けると共に、上記指向性設定手段は、上記マイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して上記指向収音音声信号を生成するようにされ、他の収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される音源位置である、他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数の他のマイクロフォンと、上記他のマイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して、他の指向収音音声信号を生成するようにされた、強調系フィルタ部よりなる他の指向性設定手段とを備えるとともに、上記キャンセル用音声信号生成手段は、上記スピーカから出力される音声の基となる出力音声信号の成分として、上記キャンセル用音声信号とともに、上記他の指向収音音声信号に対応する音声成分が、音声キャンセル点にて強調されるようにするための強調用音声信号を生成するようにされていることとした。

また、音声再生システムとして、次のように構成することとした。
この音声再生システムは、ヘッドフォン装置と、このヘッドフォン装置と接続されるヘッドフォン対応装置とから成り、外部音声を収音するようにして設けられる収音部と、上記収音部により得られる音声信号として、所要の指向特性により上記外部音声を収音したものとされる音声信号である、指向収音音声信号が得られる結果となるようにするもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられるキャンセル系フィルタ部よりなる指向性設定手段と、ヘッドフォン装着者の耳の位置に対応させるようにして上記ヘッドフォン装置に設けられ、駆動信号により駆動されることで音を出力するようにされたスピーカと、上記スピーカから音として出力させた場合に、上記指向収音音声信号に対応する音声成分が上記ヘッドフォン装着者の耳の近傍において設定した所定の空間位置にてキャンセルされるようにするためのキャンセル用音声信号を生成するもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられるキャンセル用音声信号生成手段と、上記キャンセル用音声信号を少なくとも成分として含み、上記スピーカから出力させるべき音声に対応する音声信号を入力して上記駆動信号を生成するもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられる駆動信号生成手段と、を備え、上記収音部として、少なくとも、上記指向性設定手段により設定される指向特性に応じて特定される、特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数のマイクロフォンを設けると共に、上記指向性設定手段は、上記マイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して上記指向収音音声信号を生成するようにされ、他の収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される音源位置である、他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数の他のマイクロフォンと、上記他のマイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して、他の指向収音音声信号を生成するようにされた、強調系フィルタ部よりなる他の指向性設定手段とを備えるとともに、上記キャンセル用音声信号生成手段は、上記スピーカから出力される音声の基となる出力音声信号の成分として、上記キャンセル用音声信号とともに、上記他の指向収音音声信号に対応する音声成分が、音声キャンセル点にて強調されるようにするための強調用音声信号を生成するようにされていることとした。

上記各構成では、先ず、外部音声を収音するために設けた収音部により得られる音声信号として、所要の指向性により上記外部音声を収音したものとされる内容のものを得るようにされる。つまり、結果として、所要の指向性を設定した収音部により外部音声を収音したのと同等とされる音声信号（指向収音音声信号）を得るようにされる。そして、この指向収音音声信号を利用して、ヘッドフォン装置を装着してその再生音声を聴いたときに、外部音声がキャンセルされて聴こえるようにするための音声信号であるキャンセル用音声信号を生成し、これをスピーカから出力させるようにする。
このような構成であれば、キャンセルされる外部音声は、周囲の全空間が対象となるのではなく、設定される指向性に応じた空間に限定されることになる。

このようにして本発明によっては、ヘッドフォン装置により出力される音声を聴くときに、特定方向の空間から到来してくるとされる外部音声のみをキャンセルさせることになる。これにより、例えばヘッドフォン装置の使用に際して、特定方向からの外部音声のみはキャンセルされないようにしたいという要望に応えることが可能となるものである。

本願発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態という）としては、ノイズキャンセリングシステムが搭載されたヘッドフォン装置を例に挙げることとする。
そこで、本実施の形態としての構成を説明するのに先立ち、ヘッドフォン装置に対応するノイズキャンセリングシステムの基本概念について説明を行っておくこととする。

このようなヘッドフォン装置対応のノイズキャンセリングシステムの基本的な方式としては、フィードバック方式とフィードフォワード方式によりサーボ制御を行うようにされたものがそれぞれ知られている。先ず、図１により、フィードバック方式について説明する。

図１（ａ）には、ヘッドフォン装着者（ユーザ）の右耳（Ｌ（左），Ｒ（右）による２チャンネルステレオにおけるＲチャンネル）側における、フィードバック方式によるノイズキャンセリングシステムのモデル例を模式的に示している。
ここでのヘッドフォン装置のＲチャンネル側の構造としては、先ず、右耳に対応するハウジング部２０１内において、ヘッドフォン装置を装着したユーザ５００の右耳に対応する位置にドライバ２０２を設けるようにされる。ドライバ２０２は、いわゆるスピーカと同義のものであり、音声信号の増幅出力により駆動（ドライブ）されることで音声を空間に放出するようにして出力するものである。

そのうえで、フィードバック方式としては、ハウジング部２０１内においてユーザ５００の右耳に近いとされる位置に対してマイクロフォン２０３を設けるようにされる。このようにして設けられるマイクロフォン２０３によっては、ドライバ２０２から出力される音声と、外部のノイズ音源３０１からハウジング部２０１内に侵入して右耳に到達しようとする音声、つまり右耳にて聴き取られる外部音声であるハウジング内ノイズ３０２とが収音されることになる。なお、ハウジング内ノイズ３０２が発生する原因としては、ノイズ音源３０１が例えばハウジング部のイヤーパッドなどの隙間から音圧として漏れてきたり、ヘッドフォン装置の筐体がノイズ音源３０１の音圧を受けて振動し、これがハウジング部内に伝達されてくることなどを挙げることができる。
そして、マイクロフォン２０３によって収音して得られた音声信号から、例えば外部音声の音声信号成分に対して逆特性となる信号など、ハウジング内ノイズ３０２がキャンセル（減衰、低減）されるようにするための信号（キャンセル用音声信号）を生成し、この信号について、ドライバ２０２を駆動する必要音の音声信号（オーディオ音源）に合成させるようにして帰還させる。これによりハウジング部２０１内における右耳に対応するとされる位置に設定されたノイズキャンセル点４００においては、ドライバ２０２からの出力音声と外部音声の成分とが合成されることによって外部音声がキャンセルされた音が得られ、ユーザの右耳では、この音を聴き取ることになる。そして、このような構成を、Ｌチャンネル（左耳）側においても与えることで、通常のＬ，Ｒ２チャンネルステレオに対応するヘッドフォン装置としてのノイズキャンセリングシステムが得られることになる。

図１（ｂ）のブロック図は、フィードバック方式によるノイズキャンセリングシステムの基本的なモデル構成例を示している。なお、この図１（ｂ）にあっては、図１（ａ）と同様にして、Ｒチャンネル（右耳）側のみに対応した構成が示されているものであり、また、Ｌチャネル（左耳）側に対応しても同様のシステム構成が備えられるものである。また、この図において示されるブロックは、フィードバック方式によるノイズキャンセリングシステムの系における特定の回路部位、回路系などに対応する１つの特定の伝達関数を示すもので、ここでは伝達関数ブロックということにする。各伝達関数ブロックにおいて示されている文字が、その伝達関数ブロックの伝達関数を表しているものであり、音声信号(若しくは音声)は、伝達関数ブロックを経由するごとに、そこに示される伝達関数が与えられることになるものである。
先ず、ハウジング部２０１内に設けられるマイクロフォン２０３により収音される音声は、このマイクロフォン２０３と、マイクロフォン２０３にて得られた電気信号を増幅して音声信号を出力するマイクロフォンアンプに対応する伝達関数ブロック１０１（伝達関数Ｍ）を介した音声信号として得られることになる。この伝達関数ブロック１０１を経由した音声信号は、ＦＢ(FeedBack)フィルタ回路に対応する伝達関数ブロック１０２(伝達関数−β)を介して合成器１０３に入力される。ＦＢフィルタ回路は、マイクロフォン２０３により収音して得られた音声信号から、上記したキャンセル用音声信号を生成するための特性が設定されたフィルタ回路であり、その伝達関数が−βとして表されているものである。

また、楽曲などのコンテンツとされるオーディオ音源の音声信号Ｓは、ここでは、イコライザによるイコライジングが施されるものとしており、このイコライザに対応する伝達関数ブロック１０７（伝達関数Ｅ）を介して合成器１０３に入力することとしている。

ここでの合成器１０３では、上記の２つの信号を加算により合成するようにされる。このようにして合成された音声信号は、パワーアンプにより増幅され、ドライバ２０２に駆動信号として出力されることで、ドライバ２０２から音声として出力されることになる。つまり、合成器１０３からの音声信号は、パワーアンプに対応する伝達関数ブロック１０４（伝達関数Ａ）を経由し、さらにドライバ２０２に対応する伝達関数ブロック１０５（伝達関数Ｄ）を経由して音声として空間内に放出される。なお、ドライバ２０２の伝達関数Ｄは、例えばドライバ２０２の構造などにより決まる。

そして、ドライバ２０２にて出力された音声は、ドライバ２０２からノイズキャンセル点４００までの空間経路(空間伝達関数)に対応する伝達関数ブロック１０６（伝達関数Ｈ）を経由するようにしてノイズキャンセル点４００に到達し、ここの空間にてハウジング内ノイズ３０２と合成されることになる。そして、ノイズキャンセル点４００から例えば右耳に到達するものとされる出力音の音圧Ｐとしては、ハウジング部２０１の外部から侵入してくるノイズ音源３０１の音がキャンセルされるものとなる。

上記図１（ｂ）に示されるノイズキャンセリングシステムのモデルの系にあって、上記出力音の音圧Ｐは、ハウジング内ノイズ３０２をＮ、オーディオ音源の音声信号をＳとしたうえで、各伝達関数ブロックにおいて示される伝達関数、Ｍ、−β、Ｅ、Ａ、Ｄ、Ｈを利用して、

のようにして表されるものとなる。この（数１）の式において、ハウジング内ノイズ３０２であるＮに着目すると、Ｎは、１ ／（１ ＋ＡＤＨＭβ）で表される係数により減衰されることがわかる。ただし、（数１）に示される式の系が、ノイズ低減対象の周波数帯域にて発振することなく、安定して動作するためには、

が成立していることが必要となる。

一般的なこととして、フィードバック方式によるノイズキャンセリングシステムにおける各伝達関数の積の絶対値が、
１＜＜｜ＡＤＨＭβ｜
で表されることとと、古典制御理論におけるNyquistの安定性判別と合わせると、（数２）については下記のように解釈できる。
ここでは、図１（ｂ）に示されるノイズキャンセリングシステムの系において、ハウジング内ノイズ３０２であるＮに関わるループ部分を一箇所切断して得られる、（−ＡＤＨＭβ）で表される系を考える。この系を、ここでは「オープンループ」ということにする。一例として、マイクロフォン及びマイクロフォンアンプに対応する伝達関数ブロック１０１と、ＦＢフィルタ回路に対応する伝達関数ブロック１０２との間を切断すべき箇所とすれば、上記のオープンループを形成できる。

上記のオープンループは、例えば図２のボード線図により示される特性を持つものとされる。このボード線部においては、横軸に周波数が示され、縦軸においては、下半分にゲインが示され、上半分に位相が示される。
このオープンループを対象とした場合、Nyquistの安定性判別に基づき、（数２）を満足するためには、下記の２つの条件を満たす必要がある。
条件１：位相０ｄｅｇ．（０ 度）の点を通過するとき、ゲインは０ｄＢより小さくなくてはならない。
条件２：ゲインが０ｄＢ以上であるとき、位相０ｄｅｇ．の点を含んではいけない。

上記２つの条件１、２を満たさない場合、ループには正帰還がかかることとなって、発振（ハウリング）を生じさせることになる。図２においては、上記の条件１に対応する位相余裕Ｐａ、Ｐｂと、条件２に対応するゲイン余裕Ｇａ、Ｇｂが示されている。これらの余裕が小さいと、ノイズキャンセリングシステムを適用したヘッドフォン装置を使用するユーザの各種の個人差やヘッドフォン装置を装着したときの状態のばらつきなどにより、発振の可能性が増加することになる。
例えば図２にあっては、位相０ｄｅｇ．の点を通過するときのゲインとしては０ｄＢより小さくなっており、これに応じてゲイン余裕Ｇａ、Ｇｂが得られている。しかしながら、例えば仮に位相０ｄｅｇ．の点を通過するときのゲインが０ｄＢ以上となってゲイン余裕Ｇａ、Ｇｂが無くなる、あるいは位相０ｄｅｇ．の点を通過するときのゲインが０ｄＢ未満であるものの、０ｄＢに近く、ゲイン余裕Ｇａ、Ｇｂが小さくなるような状態となると、発振を生じる、あるいは発振の可能性が増加することになる。
同様にして、図２にあっては、ゲインが０ｄＢ以上であるときには位相０ｄｅｇ．の点を通過しないようにされており、位相余裕Ｐａ、Ｐｂが得られている。しかしながら、例えばゲインが０ｄＢ以上であるときに位相０ｄｅｇ．の点を通過してしまっている。あるいは、位相０ｄｅｇ．に近くなり位相余裕Ｐａ、Ｐｂが小さくなるような状態となると、発振を生じる、あるいは発振の可能性が増加することになる。

次に、図１（ｂ）に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの構成において、上述の外部音声（ノイズ）のキャンセル（低減）機能に加えて、必要な音（必要音）をヘッドフォン装置により再生出力する場合について説明する。
ここでは、必要音として、例えば楽曲などのコンテンツとしてのオーディオ音源の音声信号Ｓが示されている。
なお、この音声信号Ｓとしては、このような音楽的、又はこれに準ずる内容のもののほかにも考えられる。例えば、ノイズキャンセリングシステムを補聴器などに適用することとした場合には、周囲の必要音を収音するために筐体外部に設けられるマイクロフォン（ノイズキャンセルの系に備えられるマイクロフォン２０３とは異なる）により収音して得られた音声信号となる。また、いわゆるヘッドセットといわれるものに適用する場合には、電話通信などの通信により受信した相手方の話し声などの音声信号となる。つまり、音声信号Ｓとは、ヘッドフォン装置の用途などに応じて再生出力すべきことが必要となる音声一般に対応したものである。

先ず、（数１）において、オーディオ音源の音声信号Ｓに着目する。そして、イコライザに対応する伝達関数Ｅとして、

により表される式による特性を有するものとして設定したこととする。なお、この伝達特性Ｅは、周波数軸でみた場合に、上記オープンループに対して逆特性となっている。そして、この（数３）により示される伝達関数Ｅの式を、数１に代入すると、図１（ｂ）に示されるノイズキャンセリングシステムのモデルにおける出力音の音圧Ｐについては、

のようにして表すことができる。
（数４）におけるＡＤＨＳの項において示される伝達関数Ａ、Ｄ、Ｈのうち、先ず伝達関数Ａはパワーアンプに対応し、伝達関数Ｄはドライバ２０２に対応し、伝達関数Ｈはドライバ２０２からノイズキャンセル点４００までの経路の空間伝達関数に対応するので、ハウジング部２０１内のマイクロフォン２０３の位置が耳に対して近接した位置にあるとすれば、音声信号Ｓについては、ノイズキャンセル機能を有さないようにした通常のヘッドフォンと同等の特性が得られることがわかる。

次に、フィードフォワード方式によるノイズキャンセリングシステムについて説明する。
図３（ａ）は、フィードフォワード方式によるノイズキャンセリングシステムのモデル例として、図１（ａ）と同様に、Ｒチャンネルに対応する側の構成を示している。
フィードフォワード方式では、ハウジング部２０１の外側に対して、ノイズ音源３０１から到達してくるとされる音声が収音できるようにしてマイクロフォン２０３を設けるようにされる。そして、このマイクロフォン２０３により収音した外部音声、つまりノイズ音源３０１から到達してきたとされる音声を収音して音声信号を得て、この音声信号について適切なフィルタリング処理を施して、キャンセル用音声信号を生成するようにされる。そして、このキャンセル用音声信号を、必要音の音声信号と合成する。つまり、正帰還をかけるようにしてキャンセル用音声信号を必要音の音声信号に対して合成するものである。
そして、このようにしてキャンセル用音声信号と必要音の音声信号とが合成された音声信号をドライバ２０２から出力させることで、ノイズキャンセル点４００において得られる音としては、ノイズ音源３０１からハウジング部２０１のなかに侵入してきた音がキャンセルされたものが聴こえるようにされる。

図３（ｂ）は、フィードフォワード方式によるノイズキャンセリングシステムの基本的なモデル構成例として、一方のチャンネル（Ｒチャンネル）に対応した側の構成を示している。
先ず、ハウジング部２０１の外側に設けられるマイクロフォン２０３により収音される音は、マイクロフォン２０３及びマイクロフォンアンプに対応する伝達関数Ｍを有する伝達関数ブロック１０１を介した音声信号として得られる。
次に、上記伝達関数ブロック１０１を経由した音声信号は、ＦＦ(FeedForward)フィルタ回路に対応する伝達関数ブロック１０２(伝達関数−α)を介して合成器１０３に入力される。ＦＦフィルタ回路１０２は、マイクロフォン２０３により収音して得られた音声信号から、上記したキャンセル用音声信号を生成するための特性が設定されたフィルタ回路であり、その伝達関数が−αとして表されているものである。

また、ここでのオーディオ音源の音声信号Ｓは、直接、合成器１０３に入力するものとしている。
合成器１０３により合成された音声信号は、パワーアンプにより増幅され、ドライバ２０２に駆動信号として出力されることで、ドライバ２０２から音声として出力されることになる。つまり、この場合にも、合成器１０３からの音声信号は、パワーアンプに対応する伝達関数ブロック１０４（伝達関数Ａ）を経由し、さらにドライバ２０２に対応する伝達関数ブロック１０５（伝達関数Ｄ）を経由して音声として空間内に放出される。
そして、ドライバ２０２にて出力された音声は、ドライバ２０２からノイズキャンセル点４００までの空間経路(空間伝達関数)に対応する伝達関数ブロック１０６（伝達関数Ｈ）を経由するようにしてノイズキャンセル点４００に到達し、ここでハウジング内ノイズ３０２と空間で合成されることになる。

また、ノイズ音源３０１から発せられた音がハウジング部２０１内に侵入してノイズキャンセル点４００に到達するまでには、伝達関数ブロック１１０として示すように、ノイズ音源３０１からノイズキャンセル点４００までの経路に対応する伝達関数（空間伝達関数Ｆ）が与えられる。その一方で、マイクロフォン２０３では、外部音声であるノイズ音源３０１から到達してくるとされる音声を収音することになるが、このとき、ノイズ音源３０１から発せられた音（ノイズ）がマイクロフォン２０３に到達するまでには、伝達関数ブロック１１１として示すように、ノイズ音源３０１からマイクロフォン２０３までの経路に対応する伝達関数（空間伝達関数Ｇ）が与えられることになる。伝達関数ブロック１０２に対応するＦＦフィルタ回路としては、上記の空間伝達関数Ｆ，Ｇも考慮した上での伝達関数−αが設定されるものである。
これにより、ノイズキャンセル点４００から例えば右耳に到達するものとされる出力音の音圧Ｐとしては、ハウジング部２０１の外部から侵入してくるノイズ音源３０１の音がキャンセルされるものとなる。

上記図３（ｂ）に示されるフィードフォワード方式によるノイズキャンセリングシステムのモデルの系にあって、上記出力音の音圧Ｐは、ノイズ音源３０１において発せられるノイズをＮ、オーディオ音源の音声信号をＳとしたうえで、各伝達関数ブロックにおいて示される伝達関数、Ｍ、−α、Ｇ、Ｆ、Ａ、Ｄ、Ｈを利用して、

のようにして表されるものとなる。また、理想的には、ノイズ音源３０１からキャンセルポイント４００までの経路の伝達関数Ｆは、

のようにして表すことができる。
次に、（数６）に示される式を、（数５）に代入すると、右辺の第１項と第２項とが相殺されることとなる。この結果から、出力音の音圧Ｐは、

のようにして表すことができる。このようにして、ノイズ音源３０１から到達してくるとされる音はキャンセルされ、オーディオ音源の音声信号だけが音声として得られることが示される。つまり、理論上、ユーザの右耳においては、ノイズがキャンセルされた音声が聴こえることになる。ただし、現実には、（数６）が完全に成立するような伝達関数を与えることのできる、完全なＦＦフィルタ回路の構成は困難である。また、人による耳の形状であるとか、ヘッドフォン装置の装着の仕方についての個人差が比較的大きく、ノイズの発生位置とマイク位置との関係の変化などは、特に中高域の周波数帯域についてのノイズ低減効果に影響を与えることが知られている。このために、中高域に関しては、アクティブなノイズ低減処理を控え、主として、ヘッドフォン装置の筐体の構造などに依存したパッシブな遮音をすることがしばしば行われる。
また、確認のために述べておくと、（数６）は、ノイズ音源３０１から耳までの経路の伝達関数を、伝達関数−αを含めた電気回路にて模倣することを意味している。

また、図３（ａ）に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムでは、マイクロフォン２０３をハウジングの外側に設けることから、キャンセルポイント４００については、図１（ａ）のフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムと異なり、聴取者の耳位置に対応させるようにしてハウジング部２０１内にて任意に設定できる。しかし通常にあって、伝達関数−αは固定的であり、設計段階においては、なんらかのターゲット特性を対象とした決めうちになる。その一方で、聴取者によって耳の形状などは異なる。このために、十分なノイズキャンセル効果が得られなかったり、ノイズ成分を非逆相で加算してしまって異音を生じさせたりするなどの現象が発生する可能性もある。
このようなことから、一般的に、フィードフォワード方式は、発振する可能性が低く安定度は高いが、十分な減衰量を得るのは困難であるとされている。一方、フィードバック方式は大きなノイズ減衰量が期待できる代わりに、系の安定性に注意が必要であるとされている。このように、フィードバック方式とフィードフォワード方式とでは、それぞれに特徴を有するものである。

次に、本実施の形態としてのヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについての説明を行っていくこととする。
例えばヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムを実際に構成しようとする場合において、その目指す音響的効果として最も順当に考えられることは、周囲の全方向から聴こえてくる外部の音声をノイズとして扱って、これをキャンセルしようとするものである。一般にヘッドフォン装置により聴こうとする音声は、例えば楽曲などのコンテンツとされるものであり、従って、外部からの不要な音は、その到来方向にかかわらず、キャンセルされるべきことが、コンテンツの音声を聴くのには有利となるからである。

このようなノイズキャンセリングシステムの実際としては、例えばフィードバック方式であれば、図１に示したモデルに従って単純に構成することで容易に得ることができる。また、フィードフォワード方式にあっても、図３に準じて構成するのにあたり、一本のマイクロフォン２０３について無指向性のものを採用して、できるだけ周囲の全方向からの音声が収音されるように構成することで、全方向から到来してくる外部音声をキャンセルしようとするノイズキャンセリングシステムを得ることができる。例えば現状において実際に知られているヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムも、このような構成を採っている。

しかしながら、例えば先にも述べたように、ヘッドフォン装置の使用環境などによっては、全方向からの外部音声をノイズとしてキャンセルするのではなく、ヘッドフォン装置に対して特定の方向（位置）から到来する外部音声についてはキャンセルが行われないようにすることが必要、若しくは好ましい場合がある。
そこで、本実施の形態では、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムとして、特定方向（位置）から到来する外部音声についてはキャンセルされないように構成される。以降、この点について説明を行っていく。

本実施の形態としては、特定方向（位置）からの外部音声についてはキャンセルさせないようにするためのノイズキャンセリングシステムの構成としてフィードフォワード方式を採用する。フィードフォワード方式は、図３からも分かるように、キャンセル対象とする外部音声（ノイズ音源）を収音するマイクロフォン（２０３）を、ハウジング部（２０１）の外部に設けるようにされている。本実施の形態としては、以降の説明からも理解されるようにして、ノイズ音源としての外部音声を収音するのにあたり、いわゆるマイクアレイによるビームフォーミングの手法を採用するのであるが、このためには、異なる位置に設けられる複数本のマイクロフォン（マイクロフォンアレイ）により外部音声の収音を行う必要がある。このことを考慮すると、ノイズキャンセリングシステムとしては、フィードフォワード方式が適することになるものである。

ここで先ず、マイクアレイによるビームフォーミングの原理について述べておく。
例えば図４に示すようにして、直線FL上に対して、或る間隔を有してマイクロフォン２０３（２０３−１〜２０３−ｎ）を並べて配置させているとして、この直線FL上から離れた或る位置を発生源とする音源から音が発せられているとする。なお、ここでのマイクロフォン２０３（２０３−１〜２０３−ｎ）は、指向性や感度をはじめ同じ特性を有しているものとする。指向性については無指向性とする。
この場合、マイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎと音源との間の距離は、それぞれ異なるものとなる。例えば図５における地点Ｘ０−Ｘｎに対応するマイクロフォン２０３、２０３の間での音源との距離差は、Δｄｎで表されるものとなる。これに応じて、音源からの同じ音波が到達して収音されるタイミングとしても、上記の距離差に応じて、マイクロフォン２０３ごとに異なるものとなる。

ここで、音源位置から各マイクロフォン２０３までの距離がそれぞれ既知のものであるとすれば、その距離差に応じて、音源からの音が各マイクロフォン２０３に到達するまでの時間差も一義的に求めることができる。
そこで、同じ図４に示すようにして、直線FL上に配置されるマイクロフォン２０３（２０３−１〜２０３−ｎ）により音源から到達する音を収音して得たとされる音声信号について、それぞれ遅延を行う遅延器１５１（１５１−１〜１５１−ｎ）を設けることとする。これらの遅延器１５１−１〜１５１−ｎに対しては、それぞれ、上記の音源からの音が各マイクロフォン２０３に到達するタイミングの時間差が補正されるようにした適当な遅延時間を設定する。これにより、マイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎにより収音して得られた各音声信号において、音源位置から到達してきた音の信号成分のみについて、時間軸上で一致される（同位相とされる）ことになる。そして、これらの遅延器（１５１−１〜１５１−ｎ）の出力としての音声信号を、合成器１５２により加算合成する。
合成器１５２から出力される音声信号としては、時間軸（位相）が一致する音源位置から到達してきた音の信号成分については、同じものが足し合わされることとなってその振幅が拡大されて強調されるが、上記音源位置以外から到達して収音されたとする音の信号成分については、合成器１５２に入力される段階において時間軸（位相）が一致せずにばらついていることから、上記のようにして強調されることにはならない。換言すれば、合成器１５２から出力される音声信号としては、特定の音源位置から到来してきた音成分のみが強調され、これ以外の音成分については、相対的に弱められたものとなっている。
つまり、図４に示した構成によっては、複数のマイクロフォンにより収音して音声信号を得るようにされたうえで、これらの音声信号について、特定の音源位置に応じて決められる適当な遅延時間により遅延させて合成することにより、あたかも特定の音源位置から到来する音声のみを高い感度で以て収音したのと同等の結果を得るようにされる。これがマイクロフォンアレイによるビームフォーミングとしての基本原理となる。

ここで、図５に示すようにして、直線FL上に複数のマイクロフォン２０３を一定間隔により並べて配置したうえで、或る音源位置から発せられた音が平面波により伝搬されている状態を想定する。すると、基準マイクロフォン位置X０と、ここから一定距離離れたマイクロフォン位置Xｎまでの距離をLｎとすれば、音源位置から基準マイクロフォン位置X０までの距離と、音源位置マイクロフォン位置Xｎまでの距離との差である距離差Δｄｎは、

により表される。ここでのθは、図５に示すように、直線FLと直交する直線VLと音源からの音波の進行方向とが成す角度となる。次に、上記の距離差Δｄｎに対応する、マイクロフォン位置X0、Xｎの間での音波の到達時間差Δｔｎは、音速をｃとして上記の距離差Δｄｎを利用して、

のようにして表すことができる。図４に示した遅延器１５１−１〜１５１−ｎに対しては、このようにして得られた到達時間差Δｔｎに基づいて、それぞれの遅延時間を設定するようにされる。そして、これら遅延器１５１−１〜１５１−ｎの出力を合成器１５２により合成して得られる出力については、

のようにして表されることになる。

また、図６のようにして、音源Srcが点（点音源）とされて、ここから音波が放射されるようなモデルを考えた場合には、マイクロフォンアレイによるビームフォーミングについては、次のようにして表すことができる。
先ず、ここでも基準マイクロフォン位置X０と、ここから一定距離離れたマイクロフォン位置Xｎまでの距離をLｎとする。また、点音源の場合には、図６のようにして、音源Srcからマイクロフォンまでの距離を、音源Srcを中心として、そのマイクロフォン位置を通過する円の半径として扱うことができるので、基準マイクロフォン位置X０に対応する音源Srcからマイクロフォンまでの距離をr0とし、マイクロフォン位置Xｎに対応する音源Srcからマイクロフォンまでの距離をrnとすると、音源Srcの位置から基準マイクロフォン位置X０までの距離と、音源位置マイクロフォン位置Xｎまでの距離との差である距離差Δｄｎは、

により表すことができる。また、マイクロフォン位置X0、Xｎの間での音波の到達時間差Δｔｎについては、（数９）と同様となるが、ここでのΔｄｎは、上記（数１１）により求められる値を代入することになる。そのうえで、遅延器１５１−１〜１５１−ｎの出力を合成器１５２により合成して得られる出力としては、（数１０）により表されるものとなる。

また、上記図４、図５、図６にあっては、モデルとして、マイクロフォン２０３が同じ直線上に一定間隔により配列させたものを想定しているが、マイクロフォン２０３が配置される位置が固定とされて既知であれば、特定の音源位置と各マイクロフォンまでの距離は一義的に決定されるので、マイクロフォンの間での距離差Δｄｎ、到達時間差Δｔｎも求めることができる。従って、例えば、図７に示すようにして、曲線ＣＬ上にマイクロフォン２０３を配列させたモデルを想定しても、上記の距離差Δｄｎ、到達時間差Δｔｎを適正に求めてビームフォーミングを実現できる。
また、この考え方をさらに推し進めれば、１つの線上にマイクロフォンを配列するような二次元的な配列だけではなく、例えば曲面などにマイクロフォンを配列させるような、三次元的な配列を行った場合にあっても、各マイクロフォンの位置が既知でありさえすれば、上記の距離差Δｄｎ、到達時間差Δｔｎは適正に求められるものであり、従ってビームフォーミングを実現できることになる。そこで、このことに基づき、実際にヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムとしてマイクロフォンアレイによるビームフォーミングを実現するのにあたっては、例えば図８に示すようにして、ヘッドフォン装置１に対してマイクロフォン２０３を設けた構成とすることが考えられる。本実施の形態としても、この図８に示される形態のヘッドフォン装置を使用することができる。

図８に例示しているヘッドフォン装置１は、いわゆるオーバーヘッドバンド式といわれる形態のもので、ヘッドバンド２の両側に、それぞれ、右ハウジング部３Ｒ、左ハウジング部３Ｌが取り付けられている。ユーザは、ヘッドバンド２を頭部に掛けるようにして、右ハウジング部３Ｒ、左ハウジング部３Ｌの内向き側のパッド部を、それぞれ右、左の耳に当てるようにされる。
そして、例えば、マイクアレイ部４Ｒとして図示しているように、右ハウジング部３Ｒとしての筐体の外側部分に対して、所定数のマイクロフォン２０３を、所定の配列パターンにより配列させるようにして設けるようにされる。また、左ハウジング部３Ｌ側についても、同様にしてマイクロフォン２０３を配列させた左マイクアレイ部４Ｌを設けるようにされる。

また、図４に示したモデルでは、ビームフォーミングのために、マイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎごとに対応させて遅延器１５１−１〜１５１−ｎを設けているが、これは原理説明に対応させた構成であり、例えば実際においては、図９に示す構成を採るようにされる。
図９にあっては、図４に示されていた遅延器１５１−１〜１５１−ｎに代えて、フィルタ回路１５３−１〜１５３−ｎを備えるようにされる。これらのフィルタ回路１５３−１〜１５３−ｎは、それぞれ、Ｇ１（ｗ）〜Ｇｎ（ｗ）により表される伝達特性を有するものとされる。

また、留意すべきことは、これまでに述べてきたビームフォーミングの手法によっては、指向特性として、単に方向のみを特定するのではなく、空間上の位置を特定できるということである。つまり、方向に距離の要素が加わった指向特性を特定できるものである。従って。例えば同方向において位置の異なる２つの音源位置が在るとすると、ビームフォーミングによっては、これらの音源位置のうちから何れか１つのみを特定して、ここから到達してくる音のほうだけを強調して得ることができる。
このようにして、空間上の位置を特定できるようにするためには、例えば図５、図６、図７などにて示したように二次元的にマイクロフォンアレイを形成することとした場合には、最小で２本のマイクロフォンを設けることになる。また、図８との対応で述べたようにして三次元的にマイクロフォンアレイを形成することとした場合には、最小で３本が必要になる。そのうえで、例えば単位面積あたりのマイクロフォンの数が増加するのに応じて、空間位置を特定する精度は高くなっていくものである。

続いて、上記マイクロフォンアレイによるビームフォーミングを、不要音成分の収音に用いるようにされた、本実施の形態としてのヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについての具体的構成例について、図１０を参照して説明する。なお、この図において、図３と同一部分には同一符号を付して、ここでの説明は省略する。また、図１０に示される構成としても、図３と同様にして、Ｌ，Ｒステレオ２チャンネルのうちの何れか一方のチャンネルに対応したものを示している。

先にも述べたように、本実施の形態のノイズキャンセリングシステムとしては、不要音成分を収音するためのマイクロフォンがハウジング部の外側に在るようにされたフィードフォワード方式を基としている。例えば図１０と、図３を比較して分かるように、図１０に示される本実施の形態のノイズキャンセリングシステムとしても、伝達関数ブロック１０２に対応するＦＦフィルタ回路以降の段の構成は、図３と同様となっているものである。

図１０に示されるように、本実施の形態としては、先ず、ノイズとして扱われる不要音成分を収音するためのマイクロフォンとして、所定複数のマイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎを設けるようにされる。なお、これらのマイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎは、例えば図８により説明したように、マイクアレイ部４（４Ｒ又は４Ｌ）を形成するものである。なお、これらのマイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎは、同じ特性を有し、また、ここでは無指向性であるものとする。
これらのマイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎにより収音して得られた信号は、それぞれ同じ特性のマイクロフォンアンプにより増幅して音声信号として出力するようにされる。つまり、外部音声は、マイクロフォン２０３−１〜２０３−ｎと、これらのマイクロフォンに対応するマイクロフォンアンプに対応した数の、伝達関数Ｍを有する伝達関数ブロック１０１−１〜１０１−ｎを介するようにして音声信号として取り込まれる。このようにして取り込まれたｎ個分の音声信号は、ビームフォーミング処理部１２０に対して入力される。

この場合のビームフォーミング処理部１２０は、キャンセル系フィルタ部１３０と、強調系フィルタ部１４０と、これらのフィルタ部から出力された音声信号について加減算を行って出力する合成器１２１とから成るものとされる。

キャンセル系フィルタ部１３０は、伝達関数ブロック１０１−１〜１０１−ｎから出力された音声信号がそれぞれ入力されるフィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎと、これらのフィルタの出力を加算合成する合成器１３２とにより形成される。
フィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎには、それぞれ、Ｑ１〜Ｑｎにより表されるフィルタ特性が設定される。このフィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎは、図９に示したフィルタ回路１５３−１〜１５３−ｎと同等の機能を有する部位となる。つまり、フィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎを通過した音声信号としては、キャンセル対象とする特定の空間位置（マイクアレイ部４を基準とする特定の方向及び距離により決まるものである）から到達してきたとする音の信号成分について、その時間軸（位相）が一致するようにされるものであり、上記のフィルタ特性Ｑ１〜Ｑｎとしても、このような結果が得られるようにして設定されるものである。そして、フィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎの出力を合成器１３２により加算合成することによっては、図９の合成器１５２の出力と同様にして、上記のキャンセル対象に対応する空間位置から到来する音の信号成分のみが強調された音声信号が得られることになる。

また、強調系フィルタ部１４０も、伝達関数ブロック１０１−１〜１０１−ｎから出力された音声信号がそれぞれ入力されるフィルタ回路１４１−１〜１４１−ｎと、これらのフィルタ回路の出力を加算合成する合成器１４２から成るものとされている。
そして、これらフィルタ回路１４１−１〜１４１−ｎとしても、それぞれ所定のフィルタ特性Ｒ１〜Ｒｎを設定することで、各々から出力される音声信号については、特定の空間位置から到達してきたとする音の信号成分について、その時間軸が一致するようにされる。そして、これらの音声信号が合成器１４２により加算合成されることで、上記特定の空間位置から到来する音の信号成分のみが強調された音声信号を得るようにされる。ただし、ここで特定する空間位置としては、キャンセル対象ではなく、逆に強調して聴こえさせるべき音が到来してくるとされる方向、距離によるものとなる。

そして、ビームフォーミング処理部１２０では、合成器１２１により、キャンセル系フィルタ部１３０の合成器１３２から出力される音声信号については加算し、強調系フィルタ部１４０の合成器１４２から出力される音声信号については減算するようにして合成を行い、これにより得られた音声信号を、後段の伝達関数ブロック１０２に対応するＦＦフィルタ回路に対して入力させる。

この場合のＦＦフィルタ回路については、入力された音声信号に対応する外部からの侵入音（外部侵入音）について、ノイズキャンセル点４００にてキャンセルされる結果を生じるようにして通過特性（伝達関数−α）を設定している。従って、ノイズキャンセル点４００においては、先ず、キャンセル系フィルタ部１３０から出力される音声信号に対応する外部侵入音がキャンセルされることになる。逆に、強調系フィルタ部１４０から出力される音声信号に対応する外部侵入音については、ノイズキャンセル点４００にて加算合成されることとなるので、その音圧が増加される、即ち強調された音となる。
このようにして、図１０に示される本実施の形態の構成にあっては、キャンセル系フィルタ部１３０に対して設定されたビームフォーミング位置を音源位置として到来してくる音についてはキャンセルし、その一方で、強調系フィルタ部１４０に対して設定されたビームフォーミング位置を音源位置として到来してくる音については強調して聴こえるようにされた、ノイズキャンセリングシステムが得られることになるものである。

なお、先に述べたように、本実施の形態としては、「ヘッドフォン装置に対して特定の音源位置（方向）から到来する外部音声についてはキャンセルが行われないようにする」ことを目的としている。従って、図１０に示すビームフォーミング処理部１２０の構成として、強調系フィルタ部１４０については必ずしも必要ではなく、キャンセル系フィルタ部１３０のみとされても、上記の目的は果たされるものである。
しかしながら、この図１０に示されるようにして、強調系フィルタ部１４０を追加することとすれば、聴き取りが必要（キャンセルされるべきでない）とされる外部音はより聞き取りやすくなるものであり、また、聴き取りが必要とされる外部音の音源位置をピンポイントで高精度に設定できることにもなる。

続いて、上記図１０に示した構成から発展させた、他の実施の形態としての構成例について説明する。
例えば、図１０に示した実施の形態の下では、ビームフォーミング処理部１２０において設定されるキャンセル対象の音源位置、及び強調対象の音源位置、つまり、フィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎ、フィルタ回路１４１−１〜１４１−ｎのフィルタ特性は固定であるものとして考えることが順当となる。しかしながら、例えば、ユーザ操作に応じて、あるいは周囲音の状況などに適応するようにして上記のキャンセル対象及び強調対象の音源位置が可変設定されるようにすることも考えられる。他の実施の形態としては、このための構成を与えるものである。

図１１は、この他の実施の形態としての構成例を示している。なお、この図において、図１０と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。また、この図においては、ビームフォーミング処理部１２０が１つのブロックとして示されているが、その内部構成としては、図１０と同様であるものとする。

この図においては、システム制御部１６１が示されている。この場合のシステム制御部１６１は、フィルタ制御信号Scntを出力することにより、ビームフォーミング処理部１２０におけるフィルタ回路（１３１−１〜１３１−ｎ、１４１−１〜１４１−ｎ）のフィルタ特性（伝達関数Ｑ１〜Ｑｎ、Ｒ１〜Ｒｎに対応する）を変更設定するようにして制御を実行する。また、フィルタ特性としてどのような特性をフィルタ回路のそれぞれに対して設定するのかについては、自身が内部に保持しているとされるフィルタ特性設定パターンテーブル１６１ａを参照するようにされる。

また、この場合の操作部１６２は、例えばヘッドフォン装置１の本体における所定部位などに設けられ、外部音についてキャンセルすべき方向と強調すべき方向とを、同時にあるいは個別に変更するための操作子と、この操作子に対する操作に応じた操作情報信号を生成してシステム制御部１６１に出力する回路部位とをまとめて示している。
方向検出部１６３は、例えばジャイロなどのセンサを利用して、ヘッドフォン装置１本体の所定部位を基準として、ヘッドフォン装置１が少なくともどの方向（方位、傾きなど）を向いているのかを検出して、その検出信号をシステム制御部１６１に出力するようにされる。

このような構成では、先ず、操作部１６２に対してユーザが操作を行うことに応じて、キャンセル／強調すべき外部音の音源位置を可変設定することができる。
ユーザが操作部１６２に対する操作を行ったことでシステム制御部１６１に対して操作情報信号が入力されることに応じて、システム制御部１６１では、フィルタ特性設定パターンテーブルから、入力された操作情報信号が指示する音源位置を設定するためのフィルタ特性設定パターンを示すデータの読み出しを行い、これに基づいて、フィルタ制御信号Scntを出力するようにされる。これに応じて、ビームフォーミング処理部１２０では、内部のフィルタ回路のフィルタ特性を可変設定するようにされる。この結果、ユーザの操作に応答するようにして、キャンセル／強調すべき外部音の音源位置が実際に変更されることになる。

また、方向検出部１６３から出力される検出信号に基づいては、例えばヘッドフォン装置１を装着したユーザが頭の向きを変えるのにかかわらず、予め指定しておいた方位及び仰角（傾き）の音源位置を特定して、外部音のキャンセル／強調を行える。
このためにシステム制御部１６１は、方向検出部１６３から入力されてくる検出信号に基づいて、現在のヘッドフォン装置１が向いているとされる方位、仰角（傾き）を認識し、さらに、この認識した方位、仰角と、指定の方位、仰角との差分を求める。そして、この求めた差分に応じて、キャンセル／強調の対象とする音源位置を可変するようにされる。

また、図１１に示す構成の下では、システム制御部１６１が、図１２のフローチャートに示す手順を実行することにより、少なくともキャンセル対象とする音源位置を適応的に可変することが可能とされる。

図１２における手順としては先ず、ヘッドフォン装置１に対して電源が投入されるのを待機しており、電源が投入されたのであれば、ステップＳ１０２以降による、キャンセル対象の音源位置を設定するための手順に進むようにされる。

ステップＳ１０２においては、フィルタ特性設定パターンテーブルにおけるパターン番号に対応する変数ｎに１を代入して初期化を行う。

ステップＳ１０３においては、そのときのパターン番号ｎに対応してフィルタ特性設定パターンテーブルに格納される、フィルタ特性の設定パターンを読み出し、この読み出した設定パターンとなるようにして、ビームフォーミング処理部１２０に対してフィルタ制御信号Scntを出力する。
このようにして出力されるフィルタ制御信号Scntに応じてビームフォーミング処理部１２０では、例えばキャンセル系フィルタ部１３０内のフィルタ回路１３１−１〜１３１−ｎ（強調系フィルタ部１４０のフィルタ回路１４１−１〜１４１−ｎであってもよい）のフィルタ特性を可変設定する。これにより、キャンセル系フィルタ部１３０においては、合成器１３２の出力として、フィルタ特性に応じた或る特定の音源位置に対してビームフォーミングした音の音声信号が得られることになる。

そこで、次のステップＳ１０４においては、上記のようにして得られた合成器１３２の出力を取り込んで、そのレベルを検出し、続くステップＳ１０５にて、その検出したレベル値を保持しておくようにされる。
ステップＳ１０５の手順に続いては、ステップＳ１０６により現在設定される変数ｎについて、最大値であるか否かを判別する。ここで否定結果が得られたのであれば、ステップＳ１０７により変数ｎについてインクリメントした上で、ステップＳ１０３からの手順を繰り返すようにされる。
ここで、フィルタ特性設定パターンテーブルには、パターン番号ごとに、異なる音源位置を特定するためのフィルタ回路ごとの特性についてのパターンを示すデータが格納されている。従って、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０５の手順を、パターン番号ごとに繰り返すことによっては、パターン番号に応じて設定された音源位置から到達してくるとされる音のレベルが、検出レベル値として保持されていくことになる。そして、所定の全てのパターン番号に対応してステップＳ１０３〜Ｓ１０５の手順を実行したとされると、ステップＳ１０６において肯定の判別結果が得られ、ステップＳ１０８に進むことになる。

ステップＳ１０８においては、これまでに保持されている検出レベル値のうちで最大の値を有するものに対応するパターン番号を認識するようにされる。ここで、最大の検出レベル値を有するということは、パターン番号に応じたフィルタ特性により特定される音源位置にて発せられている音が、ヘッドフォン装置１の周囲において最も大きいものであることを意味している。つまり、ヘッドフォン装置１の周囲音をノイズとして捉えた場合には、上記の特定位置にて最も大きいノイズ音が発せられているということになる。
そこで、ステップＳ１０９によっては、フィルタ特性設定パターンテーブルから、上記ステップＳ１０８にて認識したパターン番号に対応して格納されるフィルタ特性設定パターンに基づいたフィルタ制御信号Scntを出力するようにされる。これにより、ビームフォーミング処理部１２０におけるキャンセル系フィルタ部１３０においては、最大の検出レベル値が得られた、即ち最もノイズが大きいとされる音源位置に対して指向特性を有することになり、この音源位置からの音が選択的にキャンセルされることになる。
つまり、図１２に示す手順によっては、ヘッドフォン装置１の周囲における音源位置を所定の分解能により１つずつ特定して、そこから発せられる音（ノイズ）のレベルを検出していき、最終的に最もノイズ音のレベルが大きいとされる音源位置を特定して、この音源位置からの音が選択的にキャンセルされるようにしているものである。また、このようなキャンセル対象とする音源位置の選択を電源投入時において行うようにしていることで、ユーザがヘッドフォン装置の使用を始める段階から自動的に適切なノイズキャンセルの効果が得られていることになる。もちろん、キャンセル対象とする音源位置の選択をどのタイミングで行うのかということについては、電源投入時以外にも考えられるものである。例えば、ユーザの操作に応じて開始されるようにすることも考えられる。
また、この場合、ステップＳ１０９にてキャンセル系フィルタ部１３０の音源位置を設定するのに応じて、強調系フィルタ部１４０にてどのような音源位置を設定するのかについては、いくつか考えられる。例えばキャンセル系フィルタ部１３０側に設定する音源位置に対して、１８０°の位置関係となる音源位置を設定することが考えられる。

なお、上記図１２に示す手順をシステム制御部１６１が実行できるようにするための構成であるが、１つには、システム制御部１６１についてはマイクロコンピュータを備えて構成することとして、このマイクロコンピュータのＣＰＵに、図１２の手順に対応するプログラムを実行させることが考えられる。このようなプログラムは、上記マイクロコンピュータ内のＲＯＭなどの記憶させておけばよいが、例えば外部記憶媒体に記憶させておき、必要に応じてインストール、アップデートするようにして書き込みを行えるようにしてもよい。
また、１つには、図１２に示す手順を実行するハードウェア構成をシステム制御部１６１内に設けるようにしてもよい。

ところで、これまでの実施の形態としての構成では、ビームフォーミングをマイクロフォンアレイにより行うこととしている。ビームフォーミングとは、マイクロフォンにより収音して得られる音声信号として、或る一定の指向特性により収音したものが得られるようにすることを目的としている。このことからすると、例えば、本実施の形態としては、マイクロフォンアレイによる手法以外によっても、これと同等の音声信号を得るための構成を考えることができる。そこで、このような構成を、さらに他の実施の形態として下記のように提案する。

先に本出願人は、特開平５−３１６５８７、特開平６−７５５９１などのように、２本のマイクロフォンにより、或る特定の収音指向性が得られるようにした音声入力装置、マイクロフォン装置の構成を提案している。この実施の形態としては、このような構成を利用するものである。
つまり、図１３に示すようにして、先に図１０に示したマイクアレイ部４としてのマイクロフォン構成に代えて、２本のマイクロフォン２０３−Ａ、２０３−Ｂを設けるようにされる。これらのマイクロフォン２０３−Ａ、２０３−Ｂとしても、例えばハウジング部２０１の外側などに取り付けることになる。また、マイクロフォン２０３−Ａ、２０３−Ｂの位置関係、指向性などは、上記２件（特開平５−３１６５８７、特開平６−７５５９１）の記載内容に従えばよい。そして、これらのマイクロフォン２０３−Ａ、２０３−Ｂにより収音された音声信号を、マイク信号処理部１２０Ａに入力する。このマイク信号処理部１２０Ａは、上記２件（特開平５−３１６５８７、特開平６−７５５９１）にて記載されている、マイクロフォンからの信号を入力して出力音声信号を得るための回路構成に準じた構成を採る。そして、このマイク信号処理部１２０Ａから出力される音声信号を、ＦＦフィルタ回路に入力するものである。この図において、ＦＦフィルタ回路に対応する伝達関数ブロック１０２より後段の構成は、図１０と同様である。
このような構成によっては、設定された指向性の音を選択的にキャンセルし、感度の低いとされる方向の音についてはキャンセルしないことで相対的に強調される結果を得ることができる。

また、上記図１３の構成をさらに推し進めれば、本実施の形態としては、片側チャンネルについて１本のマイクロフォンを用いることによっても、キャンセルされない音源位置の方向を設定できるといえる。
このための構成としては、ヘッドフォン装置１のハウジング部２０１の外側に対して、無指向性ではない、或る特定方向に指向性を持つ有指向性のマイクロフォンを取り付けるようにされる。このマイクロフォンの指向性については、単一指向性であってもよいし、双指向性であってもよい。そして、このマイクロフォンの取り付けにあたっては、キャンセルすべき音源位置の方向に対応させて、その指向性を向けるようにする。そして、このマイクロフォンにより収音してマイクロフォンアンプにより増幅した音声信号を、例えば図１０などにおけるいＦＦフィルタ回路１０２以降の構成に対して入力させるものである。このようにすれば、マイクロフォンの指向性を向けた方向からの音がキャンセルされ、これ以外の方向からの音についてはキャンセルされないようにすることができる。

また、これまでの説明では、例えば図１０、図１１、図１３などに示されるノイズキャンセリングシステムの構成部位は、全てヘッドフォン装置１側において搭載されるものとしていたのであるが、本発明の概念としては、不要音（ノイズ）を含む音声を収音するためのマイクロフォン（２０３）、ドライバ２０２以外の部位の少なくとも１つについては、ヘッドフォン装置１と別体の装置側に備えられるような構成とすることも考えられるものである。例えばこのようなノイズキャンセリングヘッドフォンシステムとしては、ヘッドフォン装置と、上記のマイクロフォン（２０３）、ドライバ２０２以外の部位（マイクロフォンアンプ、ＦＢフィルタ回路、ＦＦフィルタ回路、パワーアンプなど）の少なくとも１つを備える外部アダプタ装置とから成るものを考えることができる。
また他には、例えば、オーディオコンテンツを再生して得た音声信号（オーディオ音源の音声信号Ｓに相当する）をヘッドフォン端子に出力するようにされた携帯型のオーディオ再生装置であるとか、電話機器、ネットワーク音声通信機器など、コンテンツとしてのオーディオ信号を再生出力する機能を有する機器などにノイズキャンセリングシステムを実装することとした場合には、マイクロフォン（２０３）、ドライバ２０２以外の部位の少なくとも１つを、これらの機器側に実装することが考えられる。

また、これまでに説明した実施の形態としてのノイズキャンセリングシステムでは、オーディオ音源としての音声信号（Ｓ）を入力することとしているが、このようなオーディオ音源を入力することなく、外部の特定方向、特定音源位置からのノイズを低減させる機能のみを有するようにされたノイズキャンセリングシステムとして構成することも可能である。このようなノイズキャンセリングシステムは、例えば周囲音が非常に大きい環境において、例えば正面の人の話し声は良好に聞こえるようにして、それ以外の周囲音がキャンセルされるようにするなどの用途に有効に用いることができる。
また、本実施の形態としてのノイズキャンセリングシステムの回路を実際に構成するのにあたっては、アナログ回路を用いてもよいし、デジタル回路を用いてもよい。また、アナログ回路とデジタル回路とを適宜併用して構成することとしてもよい。

フィードバック方式によるヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについてのモデル例を示す図である。 図１に示したノイズキャンセリングシステムについての特性を示すボード線図である。 フィードフォワード方式によるヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについてのモデル例を示す図である。 マイクロフォンアレイによるビームフォーミングの原理を説明するための図である。 音源が平面波である場合を想定した、マイクロフォンアレイによるビームフォーミングのための演算に用いるモデル例を示す図である。 点音源である場合を想定した、マイクロフォンアレイによるビームフォーミングのための演算に用いるモデル例を示す図である。 マイクロフォンの配列が曲線上に在る場合を想定した、マイクロフォンアレイによるビームフォーミングのモデル例を示す図である。 本実施の形態に対応するヘッドフォン装置の構成例を示す図である。 実際にマイクロフォンアレイによるビームフォーミングを実現する場合の基本的なシステム構成例を示す図である。 実施の形態としての、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについての構成例を示す図である。 他の実施の形態としての、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについての構成例を示す図である。 他の実施の形態として、周囲のノイズ音レベルに適合させてキャンセル対象の音源位置を設定するためにシステム制御部が実行する手順例を示す図である。 さらに他の実施の形態としての、ヘッドフォン装置のノイズキャンセリングシステムについての構成例を示す図である。

符号の説明

１ ヘッドフォン装置、２ ヘッドバンド、３Ｌ 左ハウジング部、３Ｒ 右ハウジング部、４Ｌ 左マイクアレイ部、４Ｒ 右マイクアレイ部、１０１ マイクロフォン／マイクロフォンアンプに対応する伝達関数ブロック、１０２ ＦＢフィルタ回路又はＦＦフィルタ回路に対応する伝達関数ブロック、１０３ 合成器、１０４ パワーアンプに対応する伝達関数ブロック、１０５ ドライバに対応する伝達関数ブロック、１０６ ドライバ−ノイズキャンセル点間の空間伝達関数に対応する伝達関数ブロック、１０７ イコライザに対応する伝達関数ブロック、１１０ ノイズ音源−ノイズキャンセル点間の空間伝達関数に対応する伝達関数ブロック、１１１ ノイズ音源−マイクロフォン間の空間伝達関数に対応する伝達関数ブロック、１２０ ビームフォーミング処理部、１３０ キャンセル系フィルタ部、１３１−１〜１３１−ｎ フィルタ回路、１３２ 合成器、１４０ 強調系フィルタ部、１４１−１〜１４１−ｎ フィルタ回路、１４２ 合成器、１５１−１〜１５１−ｎ 遅延器、１５２ 合成器、１５３−１〜１５３−ｎ フィルタ、１６１ システム制御部、１６２ 操作部、１６３ 方向検出部、２０１ ハウジング部、２０２ ドライバ、２０３（２０３−１〜２０３−ｎ） マイクロフォン、３０１ ノイズ音源、３０２ ハウジング内ノイズ、４００ ノイズキャンセル点

Claims (3)

1. 外部音声を収音するようにして設けられる収音部と、
   上記収音部により得られる音声信号として、所要の指向特性により上記外部音声を収音したものとされる音声信号である、指向収音音声信号が得られる結果となるようにするキャンセル系フィルタ部よりなる指向性設定手段と、
   ヘッドフォン装着者の耳の位置に対応させるようにして設けられ、駆動信号により駆動されることで音を出力するようにされたスピーカと、
   上記スピーカから音として出力させた場合に、上記指向収音音声信号に対応する音声成分が上記ヘッドフォン装着者の耳の近傍において設定した所定の空間位置にてキャンセルされるようにするためのキャンセル用音声信号を生成するキャンセル用音声信号生成手段と、
   上記キャンセル用音声信号を少なくとも成分として含むもので、上記スピーカから出力させるべき音声に対応する音声信号を入力して上記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
   を備え、
   上記収音部として、少なくとも、上記指向性設定手段により設定される指向特性に応じて特定される、特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数のマイクロフォンを設けると共に、
   上記指向性設定手段は、
   上記マイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して上記指向収音音声信号を生成するようにされ、
   他の収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される音源位置である、他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数の他のマイクロフォンと、
   上記他のマイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して、他の指向収音音声信号を生成するようにされた、強調系フィルタ部よりなる他の指向性設定手段とを備えるとともに、
   上記キャンセル用音声信号生成手段は、
   上記スピーカから出力される音声の基となる出力音声信号の成分として、上記キャンセル用音声信号とともに、上記他の指向収音音声信号に対応する音声成分が、音声キャンセル点にて強調されるようにするための強調用音声信号を生成するようにされている、
   ヘッドフォン装置。
2. ヘッドフォン装置と、このヘッドフォン装置と接続されるヘッドフォン対応装置とから成り、
   外部音声を収音するようにして設けられる収音部と、
   上記収音部により得られる音声信号として、所要の指向特性により上記外部音声を収音したものとされる音声信号である、指向収音音声信号が得られる結果となるようにするもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられるキャンセル系フィルタ部よりなる指向性設定手段と、
   ヘッドフォン装着者の耳の位置に対応させるようにして上記ヘッドフォン装置に設けられ、駆動信号により駆動されることで音を出力するようにされたスピーカと、
   上記スピーカから音として出力させた場合に、上記指向収音音声信号に対応する音声成分が上記ヘッドフォン装着者の耳の近傍において設定した所定の空間位置にてキャンセルされるようにするためのキャンセル用音声信号を生成するもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられるキャンセル用音声信号生成手段と、
   上記キャンセル用音声信号を少なくとも成分として含み、上記スピーカから出力させるべき音声に対応する音声信号を入力して上記駆動信号を生成するもので、上記ヘッドフォン装置と上記ヘッドフォン対応装置の何れかに備えられる駆動信号生成手段と、
   を備え、
   上記収音部として、少なくとも、上記指向性設定手段により設定される指向特性に応じて特定される、特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数のマイクロフォンを設けると共に、
   上記指向性設定手段は、
   上記マイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して上記指向収音音声信号を生成するようにされ、
   他の収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される音源位置である、他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数の他のマイクロフォンと、
   上記他のマイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して、他の指向収音音声信号を生成するようにされた、強調系フィルタ部よりなる他の指向性設定手段とを備えるとともに、
   上記キャンセル用音声信号生成手段は、
   上記スピーカから出力される音声の基となる出力音声信号の成分として、上記キャンセル用音声信号とともに、上記他の指向収音音声信号に対応する音声成分が、音声キャンセル点にて強調されるようにするための強調用音声信号を生成するようにされている、
   音声再生システム。
3. ヘッドフォン装置の外部音声を収音するようにして設けられる収音部により得られる音声信号として、所要の指向特性により上記外部音声を収音したものとされる音声信号である、指向収音音声信号が得られる結果となるようにする指向性設定手順と、
   ヘッドフォン装着者の耳の位置に対応させるようにして設けられ、駆動信号により駆動されることで音を出力するようにされたスピーカから音として出力させた場合に、上記指向収音音声信号に対応する音声成分が上記ヘッドフォン装着者の耳の近傍において設定した所定の空間位置にてキャンセルされるようにするためのキャンセル用音声信号を生成するキャンセル用音声信号生成手順と、
   上記キャンセル用音声信号を少なくとも成分として含むもので、上記スピーカから出力させるべき音声に対応する音声信号を入力して上記駆動信号を生成する駆動信号生成手順と、
   を行い、
   上記収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される、特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数のマイクロフォンを設けると共に、
   上記指向性設定手順において、
   上記マイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して上記指向収音音声信号を生成するようにされ、
   他の収音部として、少なくとも、設定される指向特性に応じて特定される音源位置である、他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分を選択するのに必要とされる数の他のマイクロフォンと、
   上記他のマイクロフォンにより得られた音声信号の各々について、上記他の特定音源位置から到達してくるとされる音声成分についての出力時間が一致されるようにして出力させるための処理を実行したうえで、これらの音声信号を合成して、他の指向収音音声信号を生成するようにされた、他の指向性設定手順とを備えるとともに、
   上記キャンセル用音声信号生成手順において、
   上記スピーカから出力される音声の基となる出力音声信号の成分として、上記キャンセル用音声信号とともに、上記他の指向収音音声信号に対応する音声成分が、音声キャンセル点にて強調されるようにするための強調用音声信号を生成するようにされている、
   音声再生方法。

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