JP5448131B2 - アクティブノイズ低減マイクロホンの配置 - Google Patents

Description

本明細書は、アクティブノイズ低減ヘッドフォンにおけるフィードバック制御に関する。Boseの米国特許第４，４９４，０７４号「フィードバック制御（Feedback Control）」を援用する。

本発明の一態様において、アクティブノイズ低減ヘッドフォンの装置は、アクティブノイズ低減ヘッドフォンの音響ドライバーアセンブリを備える。音響ドライバーは、ダイアフラムと、加力線（force application line）に沿ってダイアフラムに機械的な力を加えるボイスコイルとを備えてもよい。アクティブノイズ低減ヘッドフォンは、ダイアフラムの意図される運動方向に平行で加力線と交差する線から２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホン開口部を有するマイクロホンと、音響ドライバーのコンポーネントの共振から生じる周波数応答収差（偏り）を減衰させる構造体とを備えてもよい。構造体は積層ダイアフラムを含んでもよい。

別の態様において、アクティブノイズ低減ヘッドフォンの装置は、アクティブノイズ低減ヘッドフォンの音響ドライバーを備え、音響ドライバーは、非常に（強く）ダンピング（制動）されたダイアフラムと、ダイアフラムに取り付け線に沿って取り付けられるボイスコイルとを備える。アクティブノイズ低減ヘッドフォンはまた、ダイアフラムの意図される運動方向に平行で取り付け線と交差する位置決め線に沿って位置決めされるマイクロホンを備える。

別の態様において、ノイズ低減ヘッドフォンは、ユーザの頭部に押し当てられて空洞（キャビティ）部を密閉するイヤホンを備える。イヤホンは、ダイアフラムと、加力線に沿って音響板に機械的な力を加えてダイアフラムが空洞部内に音響エネルギーを放射するようにするボイスコイルとを備える音響ドライバーを備える。イヤホンは、空洞部により密閉されて空洞部内の音響エネルギーをノイズ信号に変換するマイクロホンであって、ダイアフラムの意図される運動方向に平行で加力線と交差する線から２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホンと、音響ドライバーのコンポーネントの共振から生じる周波数応答収差（変状）を減衰させる構造体とをさらに備える。構造体は、音響ドライバーのボイスコイルコンポーネントのコンポーネントの共振から生じる周波数応答変状を減衰させるためのものであってもよい。構造体は、ダンピングされたダイアフラムを含んでもよい。マイクロホンの開口部は、意図される運動方向に平行な線上に位置決めされてもよい。

本発明の別の態様において、アクティブノイズ低減ヘッドフォンのフィードバック回路の位相マージンを増やす方法は、音響ドライバーを備える音響ブロックを提供することを含む。音響ドライバーは、音響エネルギーを放射するダイアフラムに取り付け線に沿って機械的に結合されるボイスコイルを備える。音響ブロックは、音響ダイアフラムの意図される振動方向に平行で取り付け線と交差する線に沿って位置決めされるマイクロホンをさらに備える。音響ブロックは或る振幅周波数応答を特徴とする。本方法は、１０ｋＨｚを超える少なくとも１つのスペクトル範囲にわたって正の傾きを有する補償パターンにより振幅周波数応答を補償することを含む。

別の態様において、アクティブノイズ低減装置は音響ドライバーを備える。音響ドライバーは、ダイアフラムと、加力線に沿ってダイアフラムに機械的な力を加えるボイスコイルと、ダイアフラムの意図される運動方向に平行で加力線と交差する線から２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホン開口部を有するマイクロホンと、音響ドライバーのコンポーネントの共振から生じる周波数応答変状を減衰させる構造体とを備える。本装置はまた、第１の振幅周波数応答を特徴とする音響ブロックと、第２の振幅周波数応答を特徴とし、第２の振幅周波数応答を第１の振幅周波数応答と合成して合成振幅周波数応答を提供する補償器とを備える。第２の振幅周波数応答は、１０ｋＨｚを超えるスペクトル部分の周波数間隔において正の傾きを有するパターンを特徴とする。

他の特徴、目的、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面と共に読めば明らかとなるであろう。

図面のいくつかの図の要素はブロック図の独立の要素として図示及び説明され、「回路」と呼ばれる場合があるが、別途指示しない限り、それらの要素は、アナログ回路、デジタル回路、又はソフトウェア命令を実行する１つ又は複数のマイクロプロセッサのうちの１つ又はそれらの組み合わせとして実装してもよい。ソフトウェア命令はデジタル信号処理（ＤＳＰ）命令を含んでもよい。処理操作の一部は、係数の計算及び適用に関して表現される場合がある。係数の計算及び適用と同じことを他のアナログ信号処理技法又はデジタル信号処理技法により行うことができ、これらの技法は本特許出願の範囲に含まれる。

図１Ａを参照すると、アクティブノイズ低減ヘッドフォン１１０が示される。このヘッドフォンは、ヘッドバンドにより連結された２つのイヤホン１１２を備える。各イヤホン１１２は、カップ状のシェル１１４とクッション１１６とを備えてもよい。ヘッドバンド１１７は、矢印１１９により表されるように内側方向に力を加えるため、クッション１１６はユーザの頭部に押し当てられ、耳を取り囲んで（通常、耳覆い型と呼ばれる）外耳及び外耳道を含み得る空洞部を密閉するか、ユーザの耳に押し当てられて（通常、耳載せ型と呼ばれる）外耳及び外耳道を含み得る空洞部を密閉するか、外耳道に押し込まれて（通常、両耳型（interaural）と呼ばれる）外耳道を含み得る空洞部を画定する。両耳型ヘッドフォンは、イヤホンの一部を外耳道に挿入することによりヘッドバンドなしで実装してもよい。空洞部内には、図１Ｂの説明において後述するノイズ低減要素がある。

図１Ｂを参照すると、アクティブノイズ低減ヘッドフォン内のフィードバックループの論理的な配置を示すブロック図が示される。信号合成器３０が入力音声信号Ｖ_I用の端子２４及びフィードバック前置増幅器３５に一体的に結合されると共に補償器３７に結合され、補償器３７は電力増幅器３２に結合される。電力増幅器３２は、点線１２により表される空洞部内の音響ドライバー１７に結合される。音響ドライバー１７は、空洞部１２に入るノイズＰ_Iを表す端子２５と同様に合成器３６に結合される。合成器３６の音響出力Ｐ_Oは、出力前置増幅器３５に結合されるマイクロホン１１に適用され、出力前置増幅器３５は信号合成器３０に差分結合される。

空洞部１２は、ノイズ低減ヘッドフォンのイヤホンがユーザの耳に押し込まれるか、押し当てられるか、又は被せられる時に形成される空洞部を表す。合成器３６は物理的な要素ではなく、外部環境から空洞部１２に入るノイズＰ_Iと、音響ドライバー１７により空洞部１２内に放射される音響出力との音響加算を表し、この加算により、空洞部１２内に存在する音響エネルギーＰ_Oが生じる。合わせて、マイクロホン１１、音響ドライバー１７、及び空洞部１２を含む図１Ｂの音響要素は、後述する「音響ブロック」１００と呼ばれる場合がある。

動作時に、増幅された誤差信号Ｖ_Eが信号合成器３０において入力音声信号Ｖ_Iと減算合成される。加算信号は補償器３７に入力される。補償器３７は、ナイキストの安定判別法に見合う位相マージン及びゲインマージンを提供する。位相マージンを増やすと、システムが安定であり続ける帯域幅を広げることができるか、或る周波数範囲にわたって適用されるフィードバックの振幅を増大してアクティブノイズ低減を高めることができるか、又はその両方の効果が得られる。補償器３７の態様はより詳細に後述する。振幅が周波数と共に変化するパターンの適用を含む補償は、「等化」と呼ばれるプロセスに似ており、本明細書の目的からすると、フィードバック回路１０内で適用される等化は補償に等しい。システム内には他の等化があってもよく、例えば、音響信号Ｖ_Iは結合器３０に適用される前に等化されていてもよい。電力増幅器３２は、音響ドライバー１７に入力される補償された信号を増幅する。音響ドライバー１７は、増幅された音響信号を音響エネルギーに変え、この音響エネルギーは、空洞部１２に入ってくるノイズＰ_Iと合成されて合成音響エネルギーＰ_Oを形成する。マイクロホン１１は合成音響エネルギーＰ_Oを音声信号に変換し、この音声信号は前置増幅器３５により増幅され、誤差信号Ｖ_Eとして信号合成器３０に減算入力される。

図１の回路の閉ループ伝達関数はＰ_O／Ｖ_I＝ＥＢＤ／（１＋ＥＢＤＭＡ）であり、ここで、Ｅ、Ｂ、Ｄ、Ｍ、及びＡはそれぞれ、補償器、電力増幅器、音響ドライバー、マイクロホン、及び前置増幅器の周波数依存伝達関数を表す。分母のＥＢＤＭＡ項＝−１である（｜ＥＢＤＭＡ｜＝１及び−１８０度の位相角に等しい）場合、回路は使用不能になる。したがって、（後述するような）位相マージンがあり、｜ＥＢＤＭＡ｜≧１であるあらゆる周波数に関してＥＢＤＭＡの位相角が−１８０度に達しないように回路を配置することが望ましい。例えば、｜ＥＢＤＭＡ｜≧１であるあらゆる周波数において位相角が−１３５度より負にならないように回路が配置される場合、位相マージンは少なくとも１８０度−１３５度すなわち４５度である。別の言い方をすれば、少なくとも４５度という典型的な望ましい位相マージンを維持するためには、クロスオーバー周波数（ＥＢＤＭＡのゲインが１又は０ｄＢである周波数）におけるＥＢＤＭＡの位相角が−１３５度以下でなければならない。クロスオーバー周波数付近で伝達関数ＥＢＤＭＡの位相をより負にしないことによりクロスオーバー周波数を上げ、よってシステムの有効帯域幅を広げることができる。

周波数の関数としての位相角の変化は、少なくとも２つの原因、すなわち、周波数に依存し得る伝達関数Ｅ、Ｂ、Ｄ、Ｍ、及びＡの振幅に関連する時間遅延及び位相シフトの結果である。時間遅延（例えば、音響ドライバー１７による音響エネルギーの放射とマイクロホン１１における音響エネルギーの到達との間の時間遅延を表す図１の遅延Δｔ）は、周波数の関数として線形である位相シフトとして働く。時間遅延の他の例は、信号処理コンポーネント、特に図１のコンポーネントのようなデジタルＤＳＰシステムにおける遅延である。伝達関数Ｅ、Ｂ、Ｄ、Ｍ、及びＡに関連する位相シフトは通常、周波数可変である。時間遅延を低減すると共に、伝達関数ＥＢＤＭＡに関連する位相シフトを低減又は補償し、回路の位相角が−１８０度に達せず、好ましくは、ＥＢＤＭＡの振幅がｄＢ単位で表した場合に１又は０を超える周波数に対して−１３５度を超えないようにすることが望ましい。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、音響ドライバー１７による音響エネルギーの放射とマイクロホン１１’における音響エネルギーの到達との間の（図１の）時間遅延Δｔを低減する配置の上面図及び図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿って切断した断面図がそれぞれ示される。音響ドライバー１７’は、ダイアフラム４０に線４２に沿って機械的に結合されるボイスコイル４３を含む。ボイスコイルは通常管状であり、取り付け線４２は通常、管形状の一端に対応する円形である。ボイスコイルは磁気構造体４７と共同してボイスコイルを、矢印４８により示される意図される運動方向に直線移動させる。ボイスコイル４３はダイアフラム４０に力を加え、ダイアフラム４０を矢印４８により示される方向に振動させて音響エネルギーを放射する。マイクロホン１１’はダイアフラム４０の近くに、取り付け線４２と交差し、矢印４８により示される意図される運動方向に平行な線４９に沿って位置決めされる。実施形態によっては、マイクロホン１１’は、運動方向４８に垂直な開口部５３により方向付けされ、ダイアフラム４０に対して半径方向内側に向いている。好ましくは、マイクロホン１１’は、開口部が線４９から２ｍｍ以内にあり、線４９と整列されるように配置される。矢印４８により示される方向において、マイクロホン１１’は、ダイアフラム４０からの音響エネルギーの放射との間の時間遅延を最小化するようにダイアフラム４０のできるだけ近くに位置決めされるが、ダイアフラム４０の振動に干渉するか、又は圧力勾配に悪影響を及ぼすほど近くではない。

例示の目的で、マイクロホン１１は薄い円筒形マイクロホンとして示される。他のタイプのマイクロホンも好適である。
図２Ａ及び図２Ｂによる配置は、ボイスコイルによるダイアフラムへの線４２に沿った力の付与と音響エネルギーの放射との間の時間遅延（ひいては、ボイスコイルによる力の付与とマイクロホン１１’における音響エネルギーの到達との間の時間遅延）が、ボイスコイル４３とダイアフラム４０との間の取り付け線４２と整列していない位置、例えばダイアフラムの中央の上の点５２又はダイアフラムの縁の上の点５０にマイクロホンを配置した場合の時間遅延よりも少ないために有利である。

図２Ａ及び図２Ｂによる配置は、ボイスコイル４３の共振による山又は谷等の周波数応答収差（変状）を受ける可能性がある。この変状は、いくつかの方法により低減することができる。一方法は、強くダンピング（制動）されたダイアフラム、例えば、積層５８及び６０を有するダイアフラムを提供することである。実装によっては、上層５８は平均厚５５ミクロン（μｍ）のポリウレタンであり、下層６０は平均厚２０μｍのポリエーテルイミドである。別の方法は、ボイスコイル４３により剛性の材料を用いるか、又はボイスコイル４３に補剛構造体５１を設けて、共振周波数を音響ドライバーの動作範囲外にシフトすることである。

図３は、ダイアフラムの中央の上の（図２Ａの）点５２に配置されるマイクロホンの周波数の関数としての（時間遅延から生じる）非最小位相遅延のプロット（曲線６２）と、図２Ａのマイクロホン１１’に従って配置されるマイクロホンのプロット（曲線６３）とを示す。図３のプロットにおいて、位相遅延は正の角度として表される。図３の正の角度は、本明細書の他の部分における負の角度に等しい。例えば、図３における＋４０度は図１の説明における−４０度に等しい。

図４は、図１の音響ドライバー１７、マイクロホン１１、及び空洞部１２を含む典型的な音響ブロックの周波数の関数としての振幅応答６８を示す。１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの間にほぼ２次のロールオフがあり、２０ｋＨｚを超えると非常に大きい５次以上のロールオフがある。また、別の方法で特徴付けすれば、この曲線は、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間でローパスの緩い勾配の応答形状を有する。従来、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間の周波数範囲は、大部分が可聴周波数範囲よりも高く、アクティブノイズ低減ヘッドフォンのフィードバックループの通常の高クロスオーバー周波数よりも１ディケード（decade）以上高かいため、あまり重要でないと考えられてきた。しかし、１０ｋＨｚを超えた急なロールオフに関連する位相の変化は、可聴周波数範囲内の周波数においてフィードバックループの位相角に影響する可能性がある。

図５は、補償器３７により適用され得る周波数の関数としての振幅補償パターンを示す。曲線７０は、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間の周波数範囲においてわずかなロールオフの補償が適用される従来の補償パターンを表す。曲線７２は、１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの間から１００ｋＨｚまでの周波数範囲の少なくとも一部において急激に増加する補償量が適用される補償パターンを表す。２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの間から１００ｋＨｚまでの範囲において、曲線は、曲線６８がロールオフするのと同程度の高い正の傾きを有する（３次以上、例えば５次）。傾きは、少なくとも１オクターブにわたって正であり続け、例えば、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚは１オクターブより高く、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚは２オクターブより高い。そのようなアクティブノイズ低減装置の設計の一例が、Roman Sapiejewskiによる、本願と同一日に出願された同時係属中の特許出願「高周波補償（High Frequency Compensating）」（参照により本明細書中に援用される）に記載されている。

図６は、図５の曲線７０等の従来の補償パターンを用いるアクティブノイズ低減ヘッドフォン（曲線７６）に対する、図５の曲線７２の補償パターンを使用するアクティブノイズ低減ヘッドフォンの開ループゲインの向上（曲線７８）を示す。図５の曲線７２の補償パターンを使用するヘッドフォンは、２オクターブ以上高い開ループゲインの帯域幅を提供する。

図５の補償パターンは、アナログ回路又はデジタル回路により実装してもよいが、十分なゲイン帯域幅積を有する１つ又は複数の演算増幅器と、適切に配置された抵抗器及びコンデンサと、電源とを含むアナログフィルタとして実装されることが最も好都合である。

他の実装も特許請求の範囲内に含まれる。

ノイズ低減ヘッドフォンの図である。 図１Ａのヘッドフォンにおいて使用されるフィードバックループの論理的な配置のブロック図である。 ノイズ低減ヘッドフォンに関連する、音響ドライバーによる音響エネルギーの放射とマイクロホンにおける音響エネルギーの到達との間の時間遅延を低減する配置の概略上面図である。 図２Ａの配置の概略断面図である。 非最小位相遅延のプロットである。 周波数の関数としての振幅応答のプロットである。 周波数の関数としての振幅補償パターンのプロットである。 図５の補償パターンを使用するアクティブノイズ低減ヘッドフォンの開ループゲインの向上のプロットである。

Claims (7)

1. アクティブノイズ低減ヘッドフォン用の装置であって、
   ダイアフラム、及び該ダイアフラムの取り付け面に対して垂直方向に前記ダイアフラムに機械的な力を加えるボイスコイルを備える音響ドライバーと、
   マイクロホン開口部が、前記ダイアフラムの運動方向に対し垂直かつ前記ダイアフラムの半径方向内側に向くように配置され、前記ダイアフラムの上部において、前記マイクロホン開口部が、前記ボイスコイルの外径と内径の和の半分の位置から半径方向２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホンと、
   前記音響ドライバーのコンポーネントの共振から生じる周波数応答変状の山および谷を低減させる構造体と、
   を備えた装置。
2. 前記構造体は積層ダイアフラムを含む、請求項１に記載の装置。
3. アクティブノイズ低減ヘッドフォン用の装置であって、
   強くダンピングされたダイアフラムと、該ダイアフラムの取り付け面に対して垂直方向に前記ダイアフラムに機械的な力を加えるように取り付けられるボイスコイルとを備えるアクティブノイズ低減ヘッドフォンの音響ドライバーと、
   前記ダイアフラムの運動方向に対し垂直かつ前記ダイアフラムの半径方向内側に向くように配置されるマイクロホン開口部が、前記ダイアフラムの上部において、前記ダイアフラムの運動方向に平行で、前記ボイスコイルの中心軸から前記ボイスコイルの外径と内径の和の半分の位置の位置決め線に沿って位置決めされるマイクロホンと、
   を備えた装置。
4. ノイズ低減ヘッドフォンであって、
   ユーザの頭部に押し当てられて空洞部を密閉するイヤホンを含み、該イヤホンは、ダイアフラム、及び該ダイアフラムの取り付け面に対して垂直方向に前記ダイアフラムに機械的な力を加えるボイスコイルを備える音響ドライバーであって、前記ダイアフラムが空洞部内に音響エネルギーを放射するようにする音響ドライバー含み、更に、
   前記空洞部により密閉されて該空洞部内の音響エネルギーをノイズ信号に変換するマイクロホンであって、該マイクロホンの開口部が、前記ダイアフラムの運動方向に対し垂直かつ前記ダイアフラムの半径方向内側に向くように配置され、前記ダイアフラムの上部において、前記マイクロホンの開口部が、前記ボイスコイルの外径と内径の和の半分の位置から半径方向２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホンと、
   前記音響ドライバーのコンポーネントの共振から生じる周波数応答変状の山および谷を減衰させる構造体と、
   を備えたノイズ低減ヘッドフォン。
5. 前記構造体は、前記音響ドライバーのボイスコイルコンポーネントのコンポーネント共振から生じる周波数応答変状の山および谷を減衰させるためのものである、請求項４に記載のノイズ低減ヘッドフォン。
6. 前記構造体はダンピングされたダイアフラムを含む、請求項４に記載のノイズ低減ヘッドフォン。
7. アクティブノイズ低減装置であって、
   ダイアフラムと該ダイアフラムの取り付け面に対して垂直方向に前記ダイアフラムに機械的な力を加えるボイスコイルとを備える音響ドライバーと、
   マイクロホン開口部が、前記ダイアフラムの運動方向に対し垂直かつ前記ダイアフラムの半径方向内側に向くように配置され、前記ダイアフラムの上部において、前記マイクロホン開口部が、前記ボイスコイルの外径と内径の和の半分の位置から半径方向２ｍｍ以内に位置決めされるマイクロホン開口部を有するマイクロホンと、
   前記音響ドライバーのコンポーネント共振から生じる周波数応答変状の山および谷を減衰させる構造体と、
   第１の振幅周波数応答を特徴とする音響ブロックと、
   第２の振幅周波数応答を特徴とし、該第２の振幅周波数応答を前記第１の振幅周波数応答と合成して合成振幅周波数応答を提供する補償器と、
   を備え、前記第２の振幅周波数応答は、１０ｋＨｚから、１００ｋＨｚまでの周波数範囲の少なくとも一部のスペクトル部分で３次以上の正の傾きを有するパターンを特徴とする、アクティブノイズ低減装置。

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