JP5635182B2

JP5635182B2 - 音声強調の方法、装置及びノイズ低減通信ヘッドフォン

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Publication number: JP5635182B2
Application number: JP2013506486A
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Inventors: チャオ，チアン; リュー，ソング; リー，ボー; ホア，ヤン
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Publication date: 2014-12-03
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Description

本発明は、音声信号処理の技術分野に関し、より具体的には、一種の音声送話側の音声強調の方法、装置及びノイズ低減通信ヘッドフォンに関する。

技術の進歩及び社会情報化の拡大につれ、人と人の通信交流方式はますます素早く、且つ便利になっており、様々な通信設備、技術が広く応用され、人々の生活に極めて大きな便利をもたらし、仕事の効率向上に役立っている。しかし、社会の発展に伴って生じる騒音問題も通信音声の明瞭性と分かり易さに厳しい影響を与えており、騒音が一定のレベルに上がると、通信が完全にできなくなるだけではなく、人間の聴覚及び心身健康に障害をもたらすこともある。特に、ある特殊な場所において、例えば、空港、駅、大型の工業生産工場の場合、通信のリアルタイム性及び通信音声の明瞭性と分かり易さに対する要求レベルは非常に高いが、これらの特殊な場所における外界騒音の強さは通常100dB以上に達する。このような極端な騒音環境の中で音声が送信されても、離れた場所にいる利用者が受信した音声信号は完全に環境騒音にかき消されてしまい、如何なる有用な情報も得ることが全くできなくなる。そのため、通信設備の音声送話側に対して、有効な音声強調方法を用いて音声送話側の音声SN比を高めることが必要とされる。

現在通常の通信設備音声発生端末の音声を強調する方法には二種類があり、そのうちの一種類の方法は、単一又は複数のノーマルマイクロフォンにより信号をピックアップし、そして音響学信号処理方法を介して音声強調の目的を達成するものである。もう一種類の方法は、特殊な音響学のマイクロフォン、例えば接話マイクロフォンや振動マイクロフォン等で、効果的に音声信号をピックアップすることにより騒音を抑える目的を達成するものである。

単一マイクロフォンの音声強調は通常では単一チャンネルスペクトルサブトラクションによる音声強調技術といい（例えば、特許文献１，２を参照）、この技術では、一般的には過去のデータに対する分析に基づき、当面の音声中の騒音のエネルギーを推定し、そしてスペクトルサブトラクションの方法によって、音声中の騒音を除去することで音声を強調する目的を達成する。一方、2つ又は複数のマイクロフォンを組み合わせたマクロフォンアレーによる音声強調技術（例えば、特許文献３，４を参照）では、通常は1つのマイクロフォンを用いてピックアップした信号を参照信号とし、適応フィルタの方法により他方のマイクロフォンのピックアップ信号中の騒音成分をリアルタイムに推定するとともに相殺して、音声成分を抽出することによって、音声を強調する目的を達成する。単一又は複数のノーマルマイクロフォンによる音声強調方法において、その性能は音声状態に対する検出及び判断に大きく依存している。場合によって、効果的に騒音を除去することができないだけでなく、音声信号に大きな損傷を与えてしまうこともある。低騒音の環境の中で、音声状態に対する検出及び判断は可能であり、かつ正確であるが、レベル高い騒音環境において、音声信号は完全に騒音にかき消されてしまい、音声SN比が極めて低い場合、ノーマルマイクロフォンの音声強調技術を用いたとしても、良い効果を得られないか、或いは全く適用することができなくなる。

もう一種類の方法は、ある特殊な音響学マイクロフォンを用いて、例えば接話マイクロフォンや振動マイクロフォン等、騒音環境の中でピックアップ音声SN比を高めることによって、音声強調の目的を達成するものである。接話マイクロフォンは、いわゆるノイズ低減マイクロフォン、音圧傾度の原理を利用して考案したマイクロフォンであり、指向性及び「接話効果」を有し、騒音、特に遠方の低周波騒音に対して15dB程度のノイズ低減をすることができる。現在、普通の通話用ヘッドフォン及び通信分野のヘッドフォンには接話マイクロフォンが比較的に多く応用されている。振動マイクロフォンは、有効信号のピックアップには振動面との良いカップリングが必要であり、空気中を伝搬してきた騒音信号に対して20〜30dBのノイズ低減効果を有する。しかしながら、接話マイクロフォンはノイズ低減量に限界があるとともに、風騒音を効果的に抑制することもできない。振動マイクロフォン（例えば、特許文献５を参照）は騒音（風騒音も含む）に対して全帯域において20〜30dBのノイズ低減を実現できるが、周波数応答特性は悪くて、高周波数の音声情報を効果的にピックアップできず、通話音声の自然さ及び分かり易さを保証できない。従って、この二種類の特殊な音響学マイクロフォンはいずれも騒音レベルの高い環境において使用される通信ヘッドフォンに適用することができない。

中国特許出願公開第ＣＮ１６８４１４３号明細書中国特許出願公開第ＣＮ１０１４７７８００号明細書中国特許出願公開第ＣＮ１０１４６６０５５号明細書中国特許出願公開第ＣＮ１９６７１５８号明細書中国実用新案第ＣＮ２８１００７７号明細書

上記の問題に鑑み、本発明の目的は、振動マイクロフォン及び音響学信号処理技術を効果的に結合できる音声強調の方法を提供することによって、騒音レベルの高い環境においても通信送話側の音声SN比と音声品質を向上させることにある。

第１の発明による音声強調装置は、音響学的な音声強調ユニットと、電子的な音声強調ユニットとを備え、そのうち、前記音響学的な音声強調ユニットには、予め定められた相対位置関係を有するメイン振動マイクロフォンと、サブ振動マイクロフォンとが含まれており、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとが同一構造であり、いずれもマイクロフォンが密閉ゴムカバーの中に配置されて構成されると共に、前記マイクロフォンの振動膜と前記密閉ゴムカバーとの間に密閉エアチャンバーが設けられ、前記予め定められた相対位置関係とは、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとの空間位置が互いに近づくことを指し、そのうち、前記メイン振動マイクロフォンが使用者と直接接触し、前記サブ振動マイクロフォンが使用者と直接接触せず、前記予め定められた相対位置関係によって、前記メイン振動マイクロフォンがカップリング振動方式により転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップする一方、前記サブ振動マイクロフォンが主に空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップするようになり、且つ空気中を伝搬してきて前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとによりピックアップされる外界環境の騒音信号は互いに関連性を有し、前記電子的な音声強調ユニットには、音声検出モジュールと、適応フィルタモジュールと、後期処理モジュールとが含まれており、そのうち、前記音声検出モジュールは、前記メイン振動マイクロフォン及び前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号に基づき、前記適応フィルタモジュールの更新スピードを確定して制御パラメーターを出力するためのものであり、前記適応フィルタモジュールは、前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号及び前記音声検出モジュールが出力した制御パラメーターに基づいて、前記メイン振動マイクロフォンが出力した音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行うとともに、フィルタリング後の音声信号を出力するためのものであり、前記後期処理モジュールは、前記適応フィルタージュールが出力したフィルタリング後の音声信号に対して、さらにノイズ低減及び音声の高周波強調の処理を行うためのものである。

また、第２の発明によるノイズ低減通信ヘッドフォンは、音声信号転送ポート及び上述したような音声強調装置を有し、前記音声信号転送ポートが前記音声強調装置によるフィルタリング後の音声信号を受信するとともに、離れたユーザーへ転送するものである。

さらに、第３の発明による音声強調の方法は、予め定められた相対位置関係を有するメイン振動マイクロフォンとサブ振動マイクロフォンとを用いて、それぞれ、カップリング振動方式により転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号を含む第１の音響信号と、空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号を含む第２の音響信号と、をピックアップし、前記メイン振動マイクロフォン及び前記サブ振動マイクロフォンは、いずれもマイクロフォンが密閉ゴムカバーの中に配置されて構成されると共に、前記マイクロフォンの振動膜と前記密閉ゴムカバーとの間に密閉エアチャンバーが設けられ、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとの空間位置が互いに近づいており、そのうち、前記メイン振動マイクロフォンが使用者と直接に接触し、前記サブ振動マイクロフォンが使用者と直接に接触せず、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号における外界環境の騒音信号は互いに関連性を有し、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づいて、適応フィルタの更新スピードを制御する制御パラメーターを確定し、前記第２の音響信号及び前記制御パラメーターに基づいて、前記第１の音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行って、フィルタリング後の音声信号を出力し、前記ノイズ低減・フィルタリング後の前記音声信号に対して、さらにノイズ低減及び音声の高周波強調の処理を行うものである。

上記から分かるように、本発明の技術においては、送話側の音声に対して、それぞれ音響学的及び電子的な音声強調が行われる。具体的に、音響学的な音声強調においては、予め定められた相対位置関係を有するメイン振動マイクロフォンとサブ振動マイクロフォンが用いられ、それぞれ、利用者の音声信号及び外界環境の騒音信号を含む第1の音響信号と、主に外界環境の騒音信号を含む第2の音響信号とをピックアップする。このとき、振動マイクロフォンが用いられるため、第1の音響信号と第2の音響信号とをピックアップする際、外界環境の騒音に対して20〜30dBの減衰ができ、且つ第1の音響信号と第2の音響信号における外界環境の騒音信号は高い関連性を有しており、電子的な音声強調処理に良好な騒音参照信号を提供する。電子的な音声強調においては、まず、第1の音響信号及び第2の音響信号に基づいて、適応フィルタの更新スピードを制御する制御パラメーターを確定する。そして、第2の音響信号及び前記制御パラメーターに基づいて、第1の音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行い、よりSN比の高い音声信号を得る。最後に、ノイズ低減・フィルタリングされた音声信号に対して更なるノイズ低減と音声の高周波の強調処理を行うことにより、送話側の音声の分かり易さと明晰度が大きく改善される。よって、上記音響学的及び電子的な音声強調処理によって、最終的に通信の送話側において40〜50dBの高いノイズ低減量を提供できるので、通信送話側の音声SN比を大きく向上させ、より良く送話側音声の自然さと分かり易さを改善し、騒音レベルの高い環境における音声SN比と音声品質を大きく向上させる。

ゴムカバー付きのマイクロフォンにより構成された振動マイクロフォンの構造説明図である。本発明にかかる音声強調装置の保持竿に実装されたメイン及びサブ振動マイクロフォンの構造説明図である。メイン振動マイクロフォンがヘッドフォン使用者の頭部とカップリングする位置の説明図であり、(a)は頭部頂点、額部及び頬部とのカップリングを示し、(b)は鬢部、耳の中、耳後及び喉頭部とのカップリングを示し、(c)は、本発明を適用したマイクロフォン保持竿を有するヘッドフォンが装着者の頬部とカップリングした状態を示す。本発明における電子的な音声強調システムのブロック図である。本発明の音声強調方法の具体的なフローチャートである。本発明の音声強調装置のブロック図である。本発明のノイズリダクション通信用ヘッドフォンのブロック図である。

全ての図において、同じ符号は近似又は相応する特徴又は機能を示している。

以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態を詳しく説明する。

本発明の音声強調の方法には二つの構成部分が含まれており、第1の構成部分では、音響学的に音声強調を行い、電子的に音声強調処理することによりSN比の良いメイン信号及びメイン信号と高い関連性を有する騒音参照信号を提供する。第2の構成部分では、音響学的な信号処理方法により、信号に対してさらに音声強調の処理を行い、音声SN比を向上させ、送話側の音声の分かり易さ及び自然さを改善する。以下、音響学的及び電子的音声強調の技術について説明する。

音響学的な音声強調に関して、本発明は、ダブル振動マイクロフォン構造を用い、メイン振動マイクロフォンとサブ振動マイクロフォンとが近似した構造を有し、且つ空間位置が互いに近づく、即ちメイン振動マイクロフォンとサブ振動マイクロフォンとが、予め定められた相対位置関係を有する。この予め定められた相対位置関係によって、メイン振動マイクロフォンが、振動のカップリングで転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップする一方、サブ振動マイクロフォンが主に空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップする。この場合、空気中を伝搬してメイン振動マイクロフォンとサブマイクロフォンとにそれぞれ転送されてきた外界環境の騒音信号は互いに関連性を有する。具体的には、メイン振動マイクロフォンはヘッドフォン装着者と直接に接触して、振動のカップリングを介して、ヘッドフォン装着者の音声信号を効果的にピックアップする。一方、サブ振動マイクロフォンはヘッドフォン装着者と直接に接触せず、振動により転送されてきた音声信号をカップリングしない。空中を伝搬してきた騒音信号を、メイン及びサブ振動マイクロフォンがいずれも約20〜30dBだけ減衰させるとともに、メイン及びサブ振動マイクロフォンの位置の調整によって、両振動マイクロフォンのピックアップした騒音信号が優れた関連性を有することを保証できる。

本発明の１つの実施形態において、密閉ゴムカバーの構造を有するマイクロフォンを振動マイクロフォンとする。図１は、マイクロフォンを密閉ゴムカバーの中に配置して構成した振動マイクロフォンの構造説明図である。図1に示すように、マイクロフォン10（MIC）が密閉ゴムカバー20の中に配置されるとともに、音声信号が通過できるように、マイクロフォン10の振動膜とゴムカバー20の間に所定の密閉エアチャンバー30が設けられている。空気中を伝搬してきた外界環境の騒音がゴムカバー20により減衰されてからマイクロフォン10の振動膜にピックアップされるので、騒音は大幅に低減されるのに対して、ゴムカバー20上表面にカップリングされた振動信号に関しては、ゴムカバー20表面の振動は直接にエアチャンバー30の体積の変化を引き起こし、さらにマイクロフォン10の振動膜の振動を起こすので、ゴムカバー20上表面の振動信号が効果的にマイクロフォン10にピックアップされる。

また、ゴムカバー20を有するマイクロフォン10は、外界環境の騒音から隔離されるとともに、ヘッドフォン装着者の音声信号を効果的にカップリングしなければならない。通常、人間が話すときに、人間頭部の多くの部位には一定の音声振動信号（特に低周波の情報）が含まれており、そのうち、喉頭部と頬部の振動に含まれた音声のスペクトル情報は豊富である。従って、ヘッドフォン装着の便利性及び美観性を考慮した上、本発明の１つの好ましい実施形態においては、図2に示すマイクロフォン保持竿が設けられており、ゴムカバー付きのマイクロフォンが保持竿上部の正面と裏面に１つずつ取り付けられ、それぞれメイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォン114となっている。そのうち、メイン振動マイクロフォン112が装着者の顔に近づく面に設置され、サブ振動マイクロフォン114がメイン振動マイクロフォン112と相対する他面に設置される。メイン振動マイクロフォン112が装着者頭部とカップリングする位置は多数に選択することができる。図3(a),(b)は、メイン振動マイクロフォンが頭部とカップリング可能な位置を示しており、頭部頂点301と、額部302と、頬部303と、鬢部304と、耳の中305と、耳後306と、喉頭部307等とを含む。マイクロフォン保持竿付きのヘッドフォンが装着者の頬部とカップリングした効果は図3(c)に示される。メイン振動マイクロフォン112のゴムカバーの正面がヘッドフォン装着者の頬部と良いカップリングを維持することによって、ヘッドフォン装着者の音声信号情報が効果的にピックアップされる。一方、サブ振動マイクロフォン114は人間の顔と直接に接触しないので、装着者の音声信号に対して感度が低い。

また、図1に示すゴムカバーの構造と、図2及び図3(c)に示す保持竿、ヘッドフォン装着方式とを用いることによって、メイン振動マイクロフォン112がより良い音声信号と約20〜30dB減衰した外界環境の騒音信号とをピックアップし、サブ振動マイクロフォン114が主に約20〜30dB減衰した外界環境の騒音信号をピックアップすることを保証できる。サブ振動マイクロフォン114がピックアップした純粋な外界環境の騒音信号が後の電子的なノイズ低減により良い外界環境の騒音参照信号を提供できる。空間上において、メイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォンとの距離が相対的に近く、かつ近似するゴムカバーを有し、２つのゴムカバーへ漏洩した外界環境の騒音信号がより良い関連性を有することを保証することにより、電子的に騒音信号をさらに低減できることを確保する。

また、サブ振動マイクロフォン114が多くの振動音声信号をピックアップすることで、電子的メイン振動マイクロフォン112の音声信号を劣化させてしまうことを避けるために、メイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォン114との間に、優れる振動隔離の措置をとったほうがよい。本発明の1つの好ましい実施形態においては、メイン及びサブマイクロフォンの間にいくつかのスペーサーを設置することで振動隔離の目的を達成する。

音響学的な音声強調が行われた後、メイン振動マイクロフォン112の信号のSN比は約20dBだけ向上するが、極端な騒音状況の下では通信に要求された条件を満たせない。従って、本発明においては、音響学信号処理の技術を用いて、さらに音声信号のSN比を向上させるとともに、振動によりピックアップした音声信号の自然さと明晰度を改善する。

なお、本発明における振動マイクロフォンは、上記の密閉ゴムカバー構造を有するマイクロフォンに限らず、従来の骨転送マイクロフォンを使用してもよい、或いは普通のエレクトリックコンデンサマイクロホン（ECM）を用いて特殊な音響学構造のデザインを加えることによって、振動マイクロフォンに類似する効果を実現することもできる。普通のマイクロフォンに特殊な音響学構造のデザインを加えた本発明の実施形態は後述する。

図4は音響学的な音声強調がなされた信号に対する電子的な音声強調システムのブロック図である。図4に示すように、電子的な音声強調は、主にメイン振動マイクロフォン112及びサブ振動マイクロフォン114から出力された音響信号に基づき、適応フィルタモジュール220の更新スピードを確定するとともに制御パラメーターαを出力する音声検出モジュール210と、サブ振動マイクロフォン114から出力された音響信号及び音声検出モジュール210から出力された制御パラメーターαに基づき、メイン振動マイクロフォン112から出力された音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行う上、ノイズ低減後の音声信号を出力する適応フィルタモジュール220と、適応フィルタモジュール220を用いて出力されたノイズ低減・フィルタリング後の音声信号に対してさらなるノイズ低減と音声の高周波強調処理を行う後期処理モジュール230とを含む。

音声信号が存在する際、メイン振動マイクロフォン112が直接に装着者頬部の振動とカップリングしてより大きな音声信号をピックアップし、サブ振動マイクロフォン114が直接に頬部とカップリングしないが、装着者の口部に近いので、装着者が大きい声で話すとき、空気中を伝搬してサブ振動マイクロフォン114にピックアップされた音声信号も見落としてはならない。この場合では、サブ振動マイクロフォン114の信号を直接にフィルタリング参照信号として適応フィルタを更新するとともにフィルタリングを行うなら、音声信号を劣化させる可能性があるので、まずは音声検出モジュール210が、メイン振動マイクロフォン112及びサブ振動マイクロフォン114から出力された音響信号に基づき、適応フィルタモジュール220における適応フィルタの更新スピードを確定した上で、適応フィルタ221の更新スピードを表す制御パラメーターαを出力するようにしなければならない。

本発明の１つの実施形態において、制御パラメーターαの数値は、低周波帯域内でメイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォン114とのエネルギー統計量の比率P_ratioを演算することによって決められる。エネルギー比率P_ratioが大きいほど、メイン振動マイクロフォン112がピックアップした音響信号における目標音声の存在比率は大きくなり、αの数値はより小さくなって適応フィルタの更新スピードはより遅くなる。逆に言うと、エネルギー比率P_ratioが小さければ小さいほど、メイン振動マイクロフォン112がピックアップした音響信号における目標音声の存在比率は小さくなり、環境騒音の存在比率が大きくなり、そしてαの数値はより大きくなり、適応フィルタ221の更新スピードはより速くなる。低周波範囲とは500Hz以下の周波範囲と指す。αの設定範囲は0≦α≦1となる。本発明の1つの好ましい実施形態において、P_ratioを10dB以上に設定した場合は、メイン振動マイクロフォン112がピックアップした音響信号が全て目標音声信号となり、α=0、適応フィルタが更新停止となると考えられる。一方、P_ratioを0dB以下に設定した場合は、メイン振動マイクロフォン112がピックアップした音響信号が全て環境騒音信号となり、α=1、適応フィルタが最高スピードで更新すると考えられる。

適応フィルタモジュール220は、適応フィルタ221と、減算器222とを含む。本発明の1つの実施形態において、ノイズ低減・フィルタリングのための適応フィルタとしてステップサイズをP（P≧1）としたFIRフィルタを用いており、フィルタのウェート値は、本実施形態では、P=64と設定されているが、ステップサイズに関しては、主にシステムによるサンプリングの周波数及び、メイン及びサブマイクロフォン間転送ルートの複雑さに依存している。

仮にメイン振動マイクロフォン112及びサブ振動マイクロフォン114にピックアップされて出力される音響信号は、それぞれ第1の音響信号s1(n)と第2の音響信号s2(n)とし、適応フィルタ221の入力信号は、サブ振動マイクロフォン114にピックアップされた音響信号s2(n)として、制御パラメーターαの更新スピードが制御されることで、適応フィルタ221がフィルタリングを行い、信号s3(n)を出力し、減算器222がs3(n)をメイン振動マイクロフォン112にピックアップされた音響信号s1(n)と減算して、騒音と相殺した後の信号y(n)を得て、そしてy(n)が適応フィルタ221にフィードバックされて、適応フィルタ221が再度フィルタウェート値の更新を行う。

適応フィルタ221の更新スピードが制御パラメーターαに制御されており、α=1とする場合、即ち、s1(n)、s2(n)の全体が騒音成分である場合、適応フィルタ221は、s3(n)をs1(n)と同一にさせるように、サブ振動マイクロフォン114からメイン振動マイクロフォン112への騒音の転送関数H_noiseまで素早く収束する。この場合、相殺した後のy(n)は非常に小さいので、それにより騒音が除去される。一方、α=0とする場合、即ち、s1(n)、s2(n)の全体が目標音声成分である場合、適応フィルタが更新停止となることで、適応フィルタがサブ振動マイクロフォン114からメイン振動マイクロフォン112への音声の転送関数H_speechまで収束しない。この場合は、s3(n)がs1(n)と異なるので、減算された後の音声成分は相殺されず、出力のy(n)には音声成分が残留する。また、0<α<1とする場合、即ち、メイン振動マイクロフォン112にピックアップされた音響信号の中に、音声成分と環境騒音成分が共に存在する場合、騒音を除去するとともに音声成分を残留させるためには、適応フィルタ221の更新スピードが音声成分及び環境騒音成分の量によって制御されることになる。

また、サブ振動マイクロフォン114からメイン振動マイクロフォン112への騒音の転送関数H_noiseが、サブ振動マイクロフォン114からメイン振動マイクロフォン112への音声の転送関数H_speechと近似しているので、適応フィルタ221がH_noiseまで収束したとしても、音声信号を一定程度だけ劣化させてしまう。従って、αを用いて適応フィルタ221のウェート値を制約することが必要となる。本発明の1つの実施形態において行われる制約は以下のようである。すなわち、例えば、α=1とする場合、メイン振動マイクロフォン112にピックアップされた音響信号の全体が環境騒音成分であると認識され、適応フィルタ221は制約されず、環境騒音が完全に除去される。一方、α=0とする場合、メイン振動マイクロフォン112にピックアップされた音響信号の全体が音声成分であると認識され、適応フィルタ221は制約され、音声成分が完全に残留する。0<α<1とする場合、メイン振動マイクロフォン112にピックアップされた音響信号の中に、音声成分と環境騒音成分が共に存在すると認識され、適応フィルタ221は部分的に制約され、環境騒音部分が除去される一方、音声成分が完全に残留するようになる。この処理方式により、ノイズを低減するとともに、より好適に音声を保護する効果が実現される。

なお、上記具体的な実施形態において、時間領域適応フィルタを用いてノイズ低減が行われているが、当業者にとってわかるように、フィルタリングの際、使用されるフィルタは時間領域適応フィルタに限られず、周波数領域（サブバンド）適応フィルタを使用して、さらにメイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォン114との周波数サブバンド毎のエネルギー統計量比P_ratioiにより周波数サブバンド毎の制御パラメーターαiを得るとともに、独立に周波数適応フィルタの周波数サブバンド毎の更新を制御することもできる。iは周波数サブバンドの標記であり、周波数サブバンド毎のエネルギー統計量比が大きいほど、当該周波数サブバンドに対応するαiの値はより小さくなる。αiの設定範囲は0≦αi≦1となり、即ちαi値の範囲は0〜1までに設定される。

本発明の１つの好ましい実施形態において、後期処理モジュール230が、ワンチャンネルノイズ低減サブモジュール231と、音声の高周波強調サブモジュール232とを含む。ワンチャンネルノイズ低減サブモジュール231は、まず、騒音の安定の特性に基づいて適応フィルタ220の出力信号y(n)に残留された安定騒音のエネルギーを統計する。なお、振動方式でピックアップされた音声信号は高周波エネルギーが小さいので、処理された音声の明晰度及び分かり易さは高くない。従って、次に、音声の高周波強調サブモジュール232を用いて、ワンチャンネルノイズ低減サブモジュール231によるワンチャンネルノイズ低減処理された音声信号に対して高周波成分の強調を行い、出力音声信号の明晰度及び分かり易さを大きく改善することにより、ユーザーが十分に明晰な音声信号を得ることができる。

本発明の1つの具体的な実施形態において、ワンチャンネルノイズ低減サブモジュール231は、平滑平均の方法を用いて騒音エネルギーを統計するとともに、信号y(n)からこの部分の騒音エネルギーを減算することで、適応フィルタモジュール220が出力したy(n)中の騒音成分を低減して音声成分を残留させるように、音声信号のSN比を向上させる効果を実現できる。

図5は本発明が提供する音声強調方法を説明するフローチャートである。図5に示すように、本発明の音声強調方法は以下のステップを含む。

まず、ステップS510において、メイン振動マイクロフォン112及びサブ振動マイクロフォン114によりそれぞれ第1の音響信号s1(n)と第2の音響信号s2(n)をピックアップする。そのうち、第1の音響信号s1(n)が、カップリング振動方式により転送されてきた利用者の音声信号及びゴムカバーからマイクロフォンに漏洩した外界環境の騒音信号を含んでおり、第2の音響信号s2(n)が、主にゴムカバーからマイクロフォンに漏洩した外界環境の騒音信号からなる。また、振動マイクロフォンの位置設定によって、第1の音響信号s1(n)及び第2の音響信号s2(n)における外界環境の騒音信号が互いに関連性を有する。

ステップS520において、第1の音響信号s1(n)及び第2の音響信号s2(n)に基づいて、適応フィルタの更新スピードを確定するとともに、制御パラメーターαを出力し、αを0≦α≦1とする。

ステップS530において、第1の音響信号s1(n)、第2の音響信号s2(n)及び前記制御パラメーターαに基づいて、適応フィルタを用いて、第1の音響信号s1(n)に対し、ノイズ低減を行う。

ステップS540において、適応フィルタによるノイズ低減後の音響信号に残留された安定騒音のエネルギーをさらに除去する。

最後に、ステップS550において、前記安定騒音エネルギーの除去した音響信号に対し、高周波成分の強調を行う。

本発明の前記音声強調方法はソフトウェアとハードウェアとの組合せにより実現する。

図6は本発明の前記音声強調方法に相応しい音声強調装置の構造を示すブロック図である。図6に示すように、本発明が提供する音声強調装置600には、音響学音声強調ユニット610及び電子音声強調ユニット620が含まれている。

そのうち、音響学音声強調ユニット610は、振動のカップリング方式で転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップするためのメイン振動マイクロフォン112と、空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップするためのサブ振動マイクロフォン114とを含んでおり、且つ空気を介してメイン振動マイクロフォン112とサブ振動マイクロフォン114へそれぞれ伝送された外界環境の騒音信号が互いに関連性を有する。

電子音声強調ユニット620は、音声検出モジュール210と、適応フィルタモジュール220と、後期処理モジュール230とを含んでおり、その中で、音声検出モジュール210が、前記メインマイクロフォン112及びサブマイクロフォン114が出力した音響信号に基づき、前記適応フィルタモジュール220の更新スピードを確定して制御パラメーターを出力する。適応フィルタモジュール220が、前記サブ振動マイクロフォン114が出力した音響信号及び前記音声検出モジュール210が出力した制御パラメーターαに基づいて、前記メイン振動マイクロフォン112が出力した音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行い、フィルタリング後の音声信号を出力する。前記後期処理モジュール230が、前記適応フィルタージュール220が出力したフィルタリング後の音声信号に対してさらにノイズ低減及び音声の高周波強調の処理を行う。

なお、適応フィルタ221が時間領域適応フィルタとされた場合には、音声検出モジュール210が、低周波領域内においてメイン振動マイクロフォン112から出力された音響信号と、サブ振動マイクロフォン114から出力された音響信号とのエネルギー統計量の比率を演算することにより、適応フィルタ221の制御パラメーターを確定する。ただしエネルギー統計量の比率が大きいほど、前記制御パラメーターの数値が小さくなり、且つ前記制御パラメーターの設定範囲は0〜1までとなる。

適応フィルタ221が周波数領域適応フィルタとされた場合には、音声検出モジュール210が、メイン振動マイクロフォン112から出力された音響信号と、サブ振動マイクロフォン114から出力された音響信号との周波数サブバンド毎のエネルギー統計量の比率を演算することにより、周波数サブバンド毎の制御パラメーターαiを確定する。この場合、周波数サブバンド毎のエネルギー統計量比が大きいほど、当該周波数サブバンドに応対するαiの値がより小さくなる。且つ周波数サブバンド毎に対応する制御パラメーターαiの設定範囲は0〜1までとなる。

音声強調装置600における各ユニット間の動作フローは、図4及び図5において説明した動作フローと全く同じであるため、ここでは説明を省略する。

図7に本発明の音声強調装置を備える通信用ノイズ低減ヘッドフォン700のブロック図を示す。

図7に示すように、前記通信用ノイズ低減ヘッドフォン700は、音声信号転送ポート701及び図6に示す前記音声強調装置600を含む。そのうち、音声信号転送ポート701は、近くの音声信号を遠方の利用者へ転送するためのものであり、即ち、音声強調装置600でノイズ低減された後の音声信号を受信して、そして有線又は無線方式で遠方の利用者へ転送する。前記音声強調装置600の各構成要素の機能及びその説明は図4及び図6に対する前記説明とは全く同じであるため、ここでは説明を省略する。

以上をまとめると、本発明が音響学的及び電子的に環境騒音を除去することができ、騒音レベルの高い環境においても音声SN比及び音声品質を大きく向上させることができる要因は以下となる。

（1）ダブル振動マイクロフォンが、外界の空気中を伝搬してきた騒音を効果的に排除することができる。また、漏洩してきた騒音に関して、メイン及びサブ振動マイクロフォンの構造が近似しており、空間位置も互いに近接しているため、メイン及びサブ振動マイクロフォンに漏洩してきた外界の騒音信号は優れた関連性を有する。

（2）ヘッドフォン装着者が話すときの有用な音声信号に関して、メイン振動マイクロフォンが直接に装着者の頭部とカップリングしているとともに、メイン及びサブ振動マイクロフォン間の離隔状態が良いので、メイン振動マイクロフォンがより良くヘッドフォン装着者の振動音声信号をピックアップできる一方、サブ振動マイクロフォンが漏洩してきた音声信号しかピックアップしない。

（3）音響学的な音声強調により高いSN比の音声信号と純粋な外界騒音の参照信号が得られる上、電子的な適応騒音除去技術及びワンチャンネ音声強調技術を用いてさらに音声信号のSN比を向上させる。

（4）電子的な音声強調後の音声信号に対して高周波成分の強調を行うことによって、出力される音声信号の明晰度及び分かり易さを大きく改善できるので、利用者が十分に明晰な音声信号を得ることができる。

（5）接話マイクロフォンを送話器とする通信ヘッドフォンに比べ、本発明が騒音の方向性及び位置場所に敏感ではなく、近距離、遠距離の各方向からの騒音に対しての低減量が安定しており、且つ風の騒音にも優れるノイズ低減効果がある。

以上のように、図面を参照しながら、例示の方式で本発明による音声強調方法、装置及びノイズ低減通信ヘッドフォンを説明したが、当業者にとって、上記本発明により提供された音声強調方法、装置及びノイズ低減ヘッドフォンに関して、本発明の内容から離れないで、各種の改善が行われてもよいことは理解されるべきである。従って、本発明の保護範囲は添付の特許請求の範囲の内容により決定される。

10…マイクロフォン
20…ゴムカバー
30…エアチャンバー
112…メイン振動マイクロフォン
114…サブ振動マイクロフォン
210…音声検出モジュール
220…適応フィルタモジュール
230…後期処理モジュール
610…音響学音声強調ユニット
620…電子音声強調ユニット

Claims

音声強調装置であって、音響学的な音声強調ユニットと、電子的な音声強調ユニットとを備え、そのうち、
前記音響学的な音声強調ユニットには、予め定められた相対位置関係を有するメイン振動マイクロフォンと、サブ振動マイクロフォンとが含まれており、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとが同一構造であり、いずれもマイクロフォンが密閉ゴムカバーの中に配置されて構成されると共に、前記マイクロフォンの振動膜と前記密閉ゴムカバーとの間に密閉エアチャンバーが設けられ、前記予め定められた相対位置関係とは、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとの空間位置が互いに近づいていることを指し、そのうち、前記メイン振動マイクロフォンが使用者と直接接触し、前記サブ振動マイクロフォンが使用者と直接接触せず、前記予め定められた相対位置関係によって、前記メイン振動マイクロフォンがカップリング振動方式により転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップする一方、前記サブ振動マイクロフォンが主に空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号をピックアップし、且つ空気中を伝搬してきて前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとによりピックアップされる外界環境の騒音信号は互いに関連性を有し、
前記電子的な音声強調ユニットには、音声検出モジュールと、適応フィルタモジュールと、後期処理モジュールとが含まれており、そのうち、
前記音声検出モジュールは、前記メイン振動マイクロフォン及び前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号に基づき、前記適応フィルタモジュールの更新スピードを確定して制御パラメーターを出力するためのものであり、
前記適応フィルタモジュールは、前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号及び前記音声検出モジュールが出力した制御パラメーターに基づいて、前記メイン振動マイクロフォンが出力した音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行うとともに、フィルタリング後の音声信号を出力するためのものであり、
前記後期処理モジュールは、前記適応フィルタージュールが出力したフィルタリング後の音声信号に対して、さらにノイズ低減及び音声の高周波強調の処理を行うためのものであることを特徴とする音声強調装置。
前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとが、それぞれマイクロフォン保持竿の表裏両面に配置されるとともに、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとの間に振動隔離処理構造を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記後期処理モジュールは、
前記適応フィルタモジュールが出力したノイズ低減後の音声信号に残留した安定騒音のエネルギーを統計した上、前記適応フィルタモジュールが出力したノイズ低減後の音声信号からこの部分の騒音エネルギーを減算して、音声の高周波強調サブモジュールへ出力するワンチャンネルノイズ低減サブモジュールと、
前記ワンチャンネルノイズ低減サブモジュールがノイズ低減処理後の音声信号に対して高周波成分の強調処理を行う前記音声の高周波強調サブモジュールと、を包含していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記音声検出モジュールが、低周波領域内において前記メイン振動マイクロフォンが出力した音響信号と前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号とのエネルギー統計量の比率を演算することにより、前記制御パラメーターを確定するものであり、そのうち、前記エネルギー統計量の比率が大きいほど、前記制御パラメーターの数値が小さくなり、且つ前記制御パラメーターの設定範囲は0〜1までとなり、
又は、
前記音声検出モジュールが、前記メイン振動マイクロフォンが出力した音響信号と前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号との周波数サブバンド毎のエネルギー統計量の比率を演算することにより、前記制御パラメーターを確定するものであり、そのうち、エネルギー統計量の比率が大きいほど、前記制御パラメーターの数値が小さくなり、且つ前記制御パラメーターの設定範囲は0〜1までとなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記適応フィルタモジュールは、適応フィルタと、減算器とを含んでおり、そのうち、
前記適応フィルタが、前記制御パラメーターによる制御下で、前記サブ振動マイクロフォンが出力した音響信号をフィルタリングするとともに、減算器へ出力し、
前記減算器が、前記メイン振動マイクロフォンが出力した音響信号を、前記適応フィルタが出力した信号と減算して、ノイズキャンセル・フィルタリング後の音声信号を出力するとともに、前記ノイズキャンセル・フィルタリング後の音声信号を前記適応フィルタへフィードバックすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
ノイズ低減通信ヘッドフォンであって、
音声信号転送ポート及び請求項１〜５のいずれか１項に記載の音声強調装置を含んでおり、
前記音声信号転送ポートが前記音声強調装置によるフィルタリング後の音声信号を受信するとともに、離れたユーザーへ転送することを特徴とするノイズ低減通信ヘッドフォン。
音声強調の方法であって、
予め定められた相対位置関係を有するメイン振動マイクロフォンとサブ振動マイクロフォンとを用いて、それぞれ、カップリング振動方式により転送されてきた利用者の音声信号及び空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号を含む第１の音響信号と、空気中を伝搬してきた外界環境の騒音信号を含む第２の音響信号と、をピックアップし、前記メイン振動マイクロフォン及び前記サブ振動マイクロフォンは、いずれもマイクロフォンが密閉ゴムカバーの中に配置されて構成されると共に、前記マイクロフォンの振動膜と前記密閉ゴムカバーとの間に密閉エアチャンバーが設けられ、前記メイン振動マイクロフォンと前記サブ振動マイクロフォンとの空間位置が互いに近づいており、そのうち、前記メイン振動マイクロフォンが使用者と直接に接触し、前記サブ振動マイクロフォンが使用者と直接に接触せず、前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号における外界環境の騒音信号は互いに関連性を有し、
前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号に基づいて、適応フィルタの更新スピードを制御する制御パラメーターを確定し、
前記第２の音響信号及び前記制御パラメーターに基づいて、前記第１の音響信号に対しノイズ低減・フィルタリングを行って、フィルタリング後の音声信号を出力し、
前記ノイズ低減・フィルタリング後の前記音声信号に対して、さらにノイズ低減及び音声の高周波強調の処理を行うことを特徴とする音声強調の方法。
前記ノイズ低減・フィルタリング後の前記音声信号に対して、さらに行う前記ノイズ低減及び音声高周波の強調処理は、
前記ノイズ低減・フィルタリング後の前記音声信号に残留された安定騒音のエネルギーを統計するとともに、前記ノイズ低減・フィルタリング後の前記音声信号からこの部分の騒音エネルギーを減算して、高周波成分を強調することであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記第１の音響信号及び前記第２の音響信号により前記適応フィルタの更新スピードを制御する制御パラメーターの確定は、
低周波範囲内における前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とのエネルギー統計量の比率を演算することにより、前記制御パラメーターを確定することで、そのうち、前記エネルギー統計量の比率が大きいほど、前記制御パラメーターの数値が小さくなり、且つ前記制御パラメーターの設定範囲は0〜1までとなり、
又は、
周波数サブバンド毎において前記第１の音響信号と前記第２の音響信号とのエネルギー統計量の比率を演算することにより、前記制御パラメーターを確定することで、そのうち、前記エネルギー統計量の比率が大きいほど、前記制御パラメーターの数値が小さくなり、且つ前記制御パラメーターの設定範囲は0〜1までとなることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の方法。