JP6602973B2 - ノイズキャンセルヘッドホン - Google Patents
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Description
本発明は、筐体に設けられたマイクによって生成される外部ノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号により前記筐体内のヘッドホンユニットを駆動してキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンに関する。
ノイズキャンセルヘッドホン（アクティブノイズキャンセル機能付きのヘッドホン）は、飛行機内や日常生活の中で不快なノイズを低減することができ、騒音空間の中でも快適に過ごせるツールとして市場で一定の需要がある。その仕組みは、ヘッドホンの筐体に取り付けられたマイクでノイズ信号を生成し、使用者が聞くノイズの逆位相の「ノイズキャンセル信号」を回路で生成し、ヘッドホンのスピーカから出力するものである。
音は逆位相の信号が加算されると相殺される特性を持つため、ノイズは打ち消され、または低減されて、聞こえなくなる。
アクティブノイズキャンセルの方式には、「フィードバック方式」と、「フィードフォワード方式」と、両者を組み合わせた「ハイブリッド方式」とがある。
アクティブノイズキャンセルの方式には、「フィードバック方式」と、「フィードフォワード方式」と、両者を組み合わせた「ハイブリッド方式」とがある。
「フィードバック方式」のマイクは、スピーカと耳とが位置する空間に設けられ、この空間に浸入した外部ノイズを拾う。
よって、耳できく音と、マイクに入力される音との間に相違が少なく、フィルタ（逆位相のノイズキャンセル信号を生成する回路）の作成が容易である。
よって、耳できく音と、マイクに入力される音との間に相違が少なく、フィルタ（逆位相のノイズキャンセル信号を生成する回路）の作成が容易である。
しかし、マイクはノイズ以外にスピーカからの再生音も拾うので、フィルタには再生音とノイズとを分離する工夫が必要である。また、マイクはノイズ以外にスピーカからの再生音も拾うので、音の正帰還がかかって、再生音を増幅する方向に働くとハウリングを起こす場合もある。
一方、「フィードフォワード方式」のマイクは、スピーカと耳とが位置する空間には設けられず、ヘッドホンの筐体の外部に設けられ、筐体外部のノイズを拾う。よって、マイクはスピーカからの再生音を拾いにくく、再生音とノイズとを分離する必要がなく、音の正帰還がかかって、再生音を増幅する方向に働く場合に発生するハウリングを起こしにくい。
しかし、耳がきく音と、マイクに入力される音との間には相違があり、複雑なフィルタ（逆位相のノイズキャンセル信号を生成する回路）が必要である。
ところで、一般に、フィードフォワード方式のマイクは、筐体の外側の一箇所に設置される。よって、ノイズ発生源から使用者の鼓膜までの経路の長さと、ノイズ源からマイク、スピーカを介して使用者の鼓膜までの経路の長さとの間には、経路差がある。
ところで、一般に、フィードフォワード方式のマイクは、筐体の外側の一箇所に設置される。よって、ノイズ発生源から使用者の鼓膜までの経路の長さと、ノイズ源からマイク、スピーカを介して使用者の鼓膜までの経路の長さとの間には、経路差がある。
図１５を用いて説明する。図において、ヘッドホン１の筐体２の底側にあるバッフル２ａには、スピーカ３が設けられる。このバッフル２ａにより、スピーカ3の振動板の前後の音響空間が仕切られ、スピーカ３の振動板の後ろ側には、バックキャビティ２ｂが形成されている。
使用者４の外耳道４ａの奥には、鼓膜４ｂが位置している。さらに、ヘッドホン１の筐体２の底部側には、使用者４の外耳道４ａの開口周縁に密着するイヤパッド５が設けられている。
ヘッドホン１のスピーカ３は、イヤパッド５と筐体２のバッフル２ａとで囲まれた空間内へ音を出力するように配置されている。
ヘッドホン１のスピーカ３は、イヤパッド５と筐体２のバッフル２ａとで囲まれた空間内へ音を出力するように配置されている。
ヘッドホン１の筐体２の外部（外面）には、筐体２の外部のノイズを拾うフィードフォワード方式のマイク６が設けられている。尚、図１５でのマイク６は、スピーカ３から放出される音の進行方向（図において矢印Ｓで示す）と直交する方向の筐体２の断面の中央部に配置されている。マイク６で拾われたノイズは、図示しないフィルタで逆位相のノイズキャンセル信号が生成され、ノイズキャンセル音がスピーカ３から出力されるようになっている。
また、７は使用者４の上に位置する上ノイズ発生源、８は使用者４の横に位置する横ノイズ発生源である。以下、上ノイズ発生源７からのノイズを上照射ノイズ、横ノイズ発生源８からのノイズを横照射ノイズという。
上照射ノイズにおいて、ノイズが、マイク６，スピーカ３を介さずに、直接使用者４の鼓膜４ｂに届く経路（以下、ノイズの経路という）と、マイク６、スピーカ３を介して使用者４の鼓膜４ｂに届く経路（以下、ノイズキャンセル音の経路という）との差は、ｄ−（ａ＋ｄ）である。
上照射ノイズにおいて、ノイズが、マイク６，スピーカ３を介さずに、直接使用者４の鼓膜４ｂに届く経路（以下、ノイズの経路という）と、マイク６、スピーカ３を介して使用者４の鼓膜４ｂに届く経路（以下、ノイズキャンセル音の経路という）との差は、ｄ−（ａ＋ｄ）である。
横照射ノイズにおいてのノイズの経路と、ノイズキャンセル音の経路との差は、ｃ−ａである。
よって、ノイズ発生源の方向によって経路差が変化し、フィルタで生成される「ノイズキャンセル信号」が適切なものではなくなってしまう。即ち、ノイズ発生源の方向（位置）の違いによって、アクティブノイズキャンセルの性能が変わり、指向性を持つようになる。
よって、ノイズ発生源の方向によって経路差が変化し、フィルタで生成される「ノイズキャンセル信号」が適切なものではなくなってしまう。即ち、ノイズ発生源の方向（位置）の違いによって、アクティブノイズキャンセルの性能が変わり、指向性を持つようになる。
このノイズ発生源の方向によるアクティブノイズキャンセル性能を改善するために、複数のマイク、例えば、図において、マイク６以外に、複数のマイク、例えば、マイク９、マイク１０を設けることで、ノイズ発生源の方向による経路差の問題（指向性の問題）を解決するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に記載された発明のノイズキャンセルヘッドホンでは、以下のような問題点がある。
(1) 複数のマイクが必要であり、コストが高くなる。
(2) 上照射ノイズにおいて経路差（ｄー（ａ＋ｄ））、横照射ノイズにおいて経路差（ｃ−ａ）がそれぞれ発生している。特に、横照射ノイズでの経路差（ｃ−ａ）は値が大きく、この大きな値の経路差に対応するために、複雑なフィルタが必要となる。
(1) 複数のマイクが必要であり、コストが高くなる。
(2) 上照射ノイズにおいて経路差（ｄー（ａ＋ｄ））、横照射ノイズにおいて経路差（ｃ−ａ）がそれぞれ発生している。特に、横照射ノイズでの経路差（ｃ−ａ）は値が大きく、この大きな値の経路差に対応するために、複雑なフィルタが必要となる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、低コストで、複雑なフィルタが不要なノイズキャンセルヘッドホンを提供することにある。
上述した課題のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したノイズキャンセルヘッドホンは、筐体に外部ノイズを集音するマイク、使用者の外耳道の開口に向かって音を放出するスピーカを設け、前記マイクによって集音されるノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号で前記スピーカを駆動して、前記外部ノイズと逆位相のノイズキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンであって、前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられ、前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、前記ガイドは、前記スピーカから放出される音の進行方向に沿った前記筐体の側面の周方向に沿って形成されたスリットであることを特徴とする。
また、上述した課題のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した別の形態のノイズキャンセルヘッドホンは、筐体に外部ノイズを集音するマイク、使用者の外耳道の開口に向かって音を放出するスピーカを設け、前記マイクによって集音されるノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号で前記スピーカを駆動して、前記外部ノイズと逆位相のノイズキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンであって、前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられ、前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、前記ガイドは、前記スピーカから放出される音の進行方向に沿った前記筐体の側面に、複数形成された集音口と、各集音口からの外部ノイズを前記マイクへ導く管と、からなることを特徴とする。
また、上述した課題のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した別の形態のノイズキャンセルヘッドホンは、筐体に外部ノイズを集音するマイク、使用者の外耳道の開口に向かって音を放出するスピーカを設け、前記マイクによって集音されるノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号で前記スピーカを駆動して、前記外部ノイズと逆位相のノイズキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンであって、前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられ、前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、前記ガイドは、前記スピーカから放出される音の進行方向に沿った前記筐体の側面に、複数形成された集音口と、各集音口からの外部ノイズを前記マイクへ導く管と、からなることを特徴とする。
本発明の他の特徴は、以下に述べる発明を実施するための形態並びに添付の図面から一層明らかになるであろう。
本発明によれば、前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、ノイズの発生源から使用者の鼓膜までの経路長と、前記ノイズの発生源からマイク、スピーカを介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても前記経路長の差が大きく変化しないように前記ガイドを適宜設定することにより、前記経路長の差とノイズの波長から発生する位相差を小さくすることができる。
前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、ノイズの発生源から使用者の鼓膜までの経路長と、前記ノイズの発生源からマイク、スピーカを介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても前記経路長の差が大きく変化しないように前記ガイドを適宜設定することにより、前記経路長の差とノイズの波長から発生する位相差を小さくすることができる。
ノイズキャンセルヘッドホンではマイク信号の位相を回路で早めたり遅らせたりしてノイズキャンセル信号を作り出すが、位相差を小さくできるということは複雑なフィルタが不要となり、また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
本発明の他の効果は、以下に述べる発明を実施するための形態並びに添付の図面から一層明らかになるであろう。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態を説明する構成図である。図において、ヘッドホン１１の筐体１２は、使用者１４側が開放された有底筒状のインナハウジング１２ｂと、インナハウジング１２ｂの使用者１４と反対側の面（底面）を覆うカバー１２ｃとからなっている。 インナハウジング１２ｂの開放面に設けられるバッフル１２ａには、スピーカ１３が設けられる。このバッフル１２ａにより、スピーカ１３の振動板の前後の音響空間が仕切られ、スピーカ１３の振動板の後ろ側（インナハウジング１２ｂ内の空間）には、振動板の後方の音響空間を構成するバックキャビティ１２ｄが形成されている。
図１は本発明の第１実施形態を説明する構成図である。図において、ヘッドホン１１の筐体１２は、使用者１４側が開放された有底筒状のインナハウジング１２ｂと、インナハウジング１２ｂの使用者１４と反対側の面（底面）を覆うカバー１２ｃとからなっている。 インナハウジング１２ｂの開放面に設けられるバッフル１２ａには、スピーカ１３が設けられる。このバッフル１２ａにより、スピーカ１３の振動板の前後の音響空間が仕切られ、スピーカ１３の振動板の後ろ側（インナハウジング１２ｂ内の空間）には、振動板の後方の音響空間を構成するバックキャビティ１２ｄが形成されている。
使用者１４の外耳道１４ａの奥には、鼓膜１４ｂが位置している。さらに、ヘッドホン１１の筐体１２の底部側には、使用者１４の外耳道１４ａの開口周縁に密着するイヤパッド１５が設けられている。
ヘッドホン１１のスピーカ１３は、イヤパッド１５と筐体１２のバッフル１２ａとで囲まれた空間内へ音を出力するように配置されている。
ヘッドホン１１のスピーカ１３は、イヤパッド１５と筐体１２のバッフル１２ａとで囲まれた空間内へ音を出力するように配置されている。
ヘッドホン１１の筐体１２の内部であって、バックキャビティ１２ｄ（インナハウジング１２ｂ）の外部には、筐体１２の外部のノイズを拾うフィードフォワード方式のマイク１６が設けられている。尚、図１でのマイク１６は、スピーカ１３から放出される音の進行方向（図において矢印Ｓで示す）と直交する方向の筐体１２の断面の中央部に配置されている。マイク１６で拾われたノイズは、図示しないフィルタで逆位相のノイズキャンセル信号が生成され、ノイズキャンセル音がスピーカ１３から出力されるようになっている。
筐体１２には、外部ノイズをマイク１６へ導くガイドが設けられている。
本実施形態のガイドは、インナハウジング１２ｂとカバー１２ｃとの間に形成されたスリット１９、即ち、スピーカ１６から放出される音の進行方向（図において矢印Ｓ方向）に沿った筐体１２の側面の周方向に沿って全周形成されたスリット１９である。
本実施形態のガイドは、インナハウジング１２ｂとカバー１２ｃとの間に形成されたスリット１９、即ち、スピーカ１６から放出される音の進行方向（図において矢印Ｓ方向）に沿った筐体１２の側面の周方向に沿って全周形成されたスリット１９である。
即ち、スリット１９は筐体１２の側面の周方向に沿って全周にわたって開放面を有するスリットとなる。なお、このような構成を全方位開放構成ともいう。
また、１７は使用者１４の上に位置する上ノイズ発生源、１８は使用者１４の横に位置する横ノイズ発生源である。
また、１７は使用者１４の上に位置する上ノイズ発生源、１８は使用者１４の横に位置する横ノイズ発生源である。
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク１６へ導くガイドとしてのスリット１９を設け、ノイズの発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズの発生源からマイク１６、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイドとしてのスリット１９を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となり、また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク１６へ導くガイドとしてのスリット１９を設け、ノイズの発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズの発生源からマイク１６、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイドとしてのスリット１９を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となり、また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
尚、「それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。」という効果の説明は、後述する。
＜第２実施形態＞
図２は本発明の第２実施形態を説明する構成図である。尚、本実施形態と、第1実施形態との相違点は、マイクの位置であり、他の部分は同一であるので、同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
＜第２実施形態＞
図２は本発明の第２実施形態を説明する構成図である。尚、本実施形態と、第1実施形態との相違点は、マイクの位置であり、他の部分は同一であるので、同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
第1実施形態のマイクは、スピーカから放出される音の進行方向と直交する方向の筐体の断面の中央部に配置されている。
一方、本実施形態では、マイク２１が設けられ、このマイク２１は、スピーカ１３から放出される音の進行方向（図において、矢印Ｓ方向）と直交する方向の筐体１２の断面の中央部から上ノイズ発生源１７に近づく方向にオフセットした位置に設けられている。
一方、本実施形態では、マイク２１が設けられ、このマイク２１は、スピーカ１３から放出される音の進行方向（図において、矢印Ｓ方向）と直交する方向の筐体１２の断面の中央部から上ノイズ発生源１７に近づく方向にオフセットした位置に設けられている。
尚、他の実施形態として、マイク２２が設けられ、このマイク２２は、スピーカ１３から放出される音の進行方向（図において、矢印Ｓ方向）と直交する方向の筐体１２の断面の中央部から上ノイズ発生源１７から離れる方向にオフセットした位置に設けられている
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) マイク２１（あるいは、マイク２２）は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク２１あるいはマイク２２へ導くガイドとしてのスリット１９を設け、ノイズの発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズの発生源からマイク２１（あるいは、マイク２２）、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイドとしてのスリット１９を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となる。また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク２１あるいはマイク２２へ導くガイドとしてのスリット１９を設け、ノイズの発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズの発生源からマイク２１（あるいは、マイク２２）、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイドとしてのスリット１９を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となる。また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
(3) マイク２１（あるいは、マイク２２）は、スピーカ１３から放出される音の進行方向（図において、矢印Ｓ方向）と直交する方向の筐体１２の断面の中央部からオフセットした位置に設けられているので、機構設計上において自由度を持つことができる。
本実施形態のガイド２３は、スピーカ１３から放出される音の進行方向に沿った筐体１２の側面（カバー）に、複数（本実施形態では、４つ）形成された集音口２３ａと、各集音口２３ａからの外部ノイズをマイク１６へ導く管２３ｂとからなっている。
この４つの管２３ｂを４ポートともいう。
この４つの管２３ｂを４ポートともいう。
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク１６へ導くガイド２３を設け、ノイズ発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズ発生源からマイク１６、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイド２３を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となる。また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
＜第４実施形態＞
図５−図７を用いて本発明の第４実施形態例を説明する。図５は本発明の第４実施形態を説明する構成図、図６は図５の切断線VI−VIでの断面図、図７は図５のインナハウジングとガイドの斜視図である。尚、本実施形態と、第３実施形態との相違点は、ガイドであり、他の部分は同一であるので、同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク１６へ導くガイド２３を設け、ノイズ発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズ発生源からマイク１６、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイド２３を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となる。また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
＜第４実施形態＞
図５−図７を用いて本発明の第４実施形態例を説明する。図５は本発明の第４実施形態を説明する構成図、図６は図５の切断線VI−VIでの断面図、図７は図５のインナハウジングとガイドの斜視図である。尚、本実施形態と、第３実施形態との相違点は、ガイドであり、他の部分は同一であるので、同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態のガイド２５は、第３実施形態のガイド２３と同様に、スピーカ１３から放出される音の進行方向に沿った筐体１２の側面（カバー）に、複数（本実施形態では、４つ）形成された集音口２５ａと、各集音口２５ａからの外部ノイズをマイク１６へ導く管２５ｂとからなっている。
さらに、図６、図７に示すように、各管２５ｂを途中で折り曲げ、集音口２５ａからマイク１６までの距離を長くしている。
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) マイク１６は、筐体１２内であって、バックキャビティ１２ｄの外部に１つ設けられていることにより、低コストである。
(2) 筐体１２に外部ノイズをマイク１６へ導くガイド２５を設け、ノイズ発生源から使用者１４の鼓膜１４ｂまでの経路長と、ノイズ発生源からマイク１６、スピーカ１３を介して使用者の鼓膜までの経路長との差が小さくなるように、また、ノイズ発生源の方向によっても経路長の差が大きく変化しないようにガイド２５を適宜設定することにより、複雑なフィルタが不要となる。また、それぞれの方向のノイズに対してより高域まで同程度のキャンセル効果を得ることができる。
尚、本発明は、上記実施形態に限定するものではない。例えば、各実施形態では、イヤパッド１５内に使用者の耳介を収容するオーバーヘッドタイプのヘッドホンで説明を行ったが、オンイヤータイプのヘッドホンでも適用できる。
＜１＞
図１５に示す従来のノイズキャンセルヘッドホンの経路長と、図１、２に示す本願発明のノイズキャンセルヘッドホンの経路長とを比較する。
筐体（ハウジング）径を変えた際の、各経路（ａ−ｈ）の長さを図８に示す。
図１５に示す従来のノイズキャンセルヘッドホンの経路長と、図１、２に示す本願発明のノイズキャンセルヘッドホンの経路長とを比較する。
筐体（ハウジング）径を変えた際の、各経路（ａ−ｈ）の長さを図８に示す。
筐体（ハウジング）径を３０ｍｍとした時の各マイク位置(1)−(6)での横照射、上照射の経路差を図９に示す。
上記計算結果を式で表すと下記の通りになる。
マイク位置(1)の照射方向による経路差
c - a - { d - ( a + d ) }
= c
=イヤパッドの半径＋イヤパッドの人体との接触面からmic（ハウジングの頂点）までの距離
マイク位置(2)の照射方向による経路差
b - a - ( d - a )
= b - d
=イヤパッドの人体との接触面からmicまでの距離
マイク位置(3)の照射方向による経路差
b - a - { d - ( a + e ) }
= b - d + e
=イヤパッドの直径＋イヤパッドの人体との接触面からmicまでの距離
マイク位置(4)の照射方向による経路差
f - ( a + d ) - { d - ( a + d ) }
= f - d
=人体とイヤパッドの接触面からmicまでの距離（上記(1)〜(3)よりも若干長め：上記の場合は10mm)
マイク位置(1)、(3)についてはマイク位置(4)よりもイヤパッドの半径以上の経路差がある。
上記計算結果を式で表すと下記の通りになる。
マイク位置(1)の照射方向による経路差
c - a - { d - ( a + d ) }
= c
=イヤパッドの半径＋イヤパッドの人体との接触面からmic（ハウジングの頂点）までの距離
マイク位置(2)の照射方向による経路差
b - a - ( d - a )
= b - d
=イヤパッドの人体との接触面からmicまでの距離
マイク位置(3)の照射方向による経路差
b - a - { d - ( a + e ) }
= b - d + e
=イヤパッドの直径＋イヤパッドの人体との接触面からmicまでの距離
マイク位置(4)の照射方向による経路差
f - ( a + d ) - { d - ( a + d ) }
= f - d
=人体とイヤパッドの接触面からmicまでの距離（上記(1)〜(3)よりも若干長め：上記の場合は10mm)
マイク位置(1)、(3)についてはマイク位置(4)よりもイヤパッドの半径以上の経路差がある。
図１０より経路差による位相差（deg)が分かる。上記例の１ｃmの経路差でも3kHz付近から振幅の減衰率が半分になることから、イヤパッドの直径が２ｃｍ以上であれば効果が得られる。
マイク位置(2)に関しては(4)よりも経路差が小さくなるが、上照射ノイズの照射方向が180度変わった際には、製品としては最大で(3)と同じ経路差となり、ノイズの照射方向によって、ノイズキャンセル効果に差が出てしまう。
このことから(4)の方が安定した効果感を得られやすいことがいえる。
マイク位置(2)に関しては(4)よりも経路差が小さくなるが、上照射ノイズの照射方向が180度変わった際には、製品としては最大で(3)と同じ経路差となり、ノイズの照射方向によって、ノイズキャンセル効果に差が出てしまう。
このことから(4)の方が安定した効果感を得られやすいことがいえる。
また(5)、(6)のような方式でマイクの位置が中央部からオフセットし、かつ、上照射ノイズの照射方向が180度変わった場合
f - ( a + g ) - ( d - ( a + h ) )
= f - g - d + h
= h - g + f - d
=最大でイヤパッドの直径（ｈ−ｇ）＋人体とイヤパッドの接触面からマイクまでの距離（ｆ−ｄ、上記(1)〜(3)よりも若干長め：上記の場合は10mm)なので、１マイクの場合の(3) b - d + e （イヤパッドの直径＋イヤパッドの人体との接触面からマイクまでの距離）よりも経路差が小さいことが判る。
f - ( a + g ) - ( d - ( a + h ) )
= f - g - d + h
= h - g + f - d
=最大でイヤパッドの直径（ｈ−ｇ）＋人体とイヤパッドの接触面からマイクまでの距離（ｆ−ｄ、上記(1)〜(3)よりも若干長め：上記の場合は10mm)なので、１マイクの場合の(3) b - d + e （イヤパッドの直径＋イヤパッドの人体との接触面からマイクまでの距離）よりも経路差が小さいことが判る。
よって従来の１つのマイクに比べて、(5)、(6)の方式はマイクの設置位置に拘わらず効果が得られることが判る。
尚、筐体とパッド外形が同形状であれば楕円等の場合でも、長径側と短径側とでは、fとdとで同様に変化する為、上表の(4)〜(6)の結果に変化はない。
尚、筐体とパッド外形が同形状であれば楕円等の場合でも、長径側と短径側とでは、fとdとで同様に変化する為、上表の(4)〜(6)の結果に変化はない。
また、図１０において、ハッチングを施していないエリアと、ハッチングを施した２つのエリアとを説明する。
ノイズとキャンセル信号の振幅が同じとした場合に、
sin(θ) ＋ sin(θ＋α)
(θ:任意の角度, α:ノイズとキャンセル信号の位相差)
で計算して、θを変化させた上記計算式が、0.5未満になるのがハッチングを施していないエリアである。
ノイズとキャンセル信号の振幅が同じとした場合に、
sin(θ) ＋ sin(θ＋α)
(θ:任意の角度, α:ノイズとキャンセル信号の位相差)
で計算して、θを変化させた上記計算式が、0.5未満になるのがハッチングを施していないエリアである。
0.5以上1未満になるエリアがハッチングを施した２つのエリアのうちの上側のエリアであり、1以上(増幅)となるエリアがハッチングを施した２つのエリアのうちの下側のエリアである。
なお、丸形の筐体で、筐体断面の中央部にマイクが設置されると、外耳道入り口正面付近にマイクがあるので望ましいが、オフセットした場合でも、オフセット量が2.5cm以内であれば、1kHz付近までは、sin(θ) ＋ sin(θ＋α)の値が0.5未満になり、効果がある。
＜２＞
図１１（ａ）は本願発明の図３に示す４ポートを有する構造にした場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクの拾う信号がどの様に変化するかを測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図、図１１（ｂ）は図３に示す４ポートを有する構造において、従来例を示す図１５の(1)の位置にマイクを設置した場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクが拾う信号がどの様に変化するか測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図である。
なお、丸形の筐体で、筐体断面の中央部にマイクが設置されると、外耳道入り口正面付近にマイクがあるので望ましいが、オフセットした場合でも、オフセット量が2.5cm以内であれば、1kHz付近までは、sin(θ) ＋ sin(θ＋α)の値が0.5未満になり、効果がある。
＜２＞
図１１（ａ）は本願発明の図３に示す４ポートを有する構造にした場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクの拾う信号がどの様に変化するかを測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図、図１１（ｂ）は図３に示す４ポートを有する構造において、従来例を示す図１５の(1)の位置にマイクを設置した場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクが拾う信号がどの様に変化するか測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図である。
（ａ）図、（ｂ）図において、実線が横方向から照射されるノイズ、破線が前方向から照射されるノイズ、二点鎖線が後方向から照射されるノイズを示している。
1ｋHz以上の周波数域で本願発明（（ａ）図）の方が従来例（（ｂ）図）より、測定結果の位相差が前後横の3方向でまとまっており、高域までノイズキャンセルの効果を利かせるのに有効である。
1ｋHz以上の周波数域で本願発明（（ａ）図）の方が従来例（（ｂ）図）より、測定結果の位相差が前後横の3方向でまとまっており、高域までノイズキャンセルの効果を利かせるのに有効である。
（ｂ）図に示す従来例は、各方向に対するマイクの拾うノイズの位相差が大きくなる帯域は、位相がずれてノイズを増幅してしまうため、フィルタのゲインを下げて効果を持たせないようにしている
＜３＞
図１２（ａ）は本願発明の図１に示す全方位開放構成にした場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクの拾う信号がどの様に変化するかを測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図、図１２（ｂ）は図１に示す全方位開放構成において、従来例を示す図１５の(1)の位置にマイクを設置した場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクが拾う信号がどの様に変化するか測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図である。
＜３＞
図１２（ａ）は本願発明の図１に示す全方位開放構成にした場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクの拾う信号がどの様に変化するかを測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図、図１２（ｂ）は図１に示す全方位開放構成において、従来例を示す図１５の(1)の位置にマイクを設置した場合、各方向からノイズを照射した際に、鼓膜に到達するノイズを基準としてマイクが拾う信号がどの様に変化するか測定した結果（各放射方向での位相特性）を示す図である。
（ａ）図、（ｂ）図において、実線が横方向から照射されるノイズ、破線が前方向から照射されるノイズ、二点鎖線が後方向から照射されるノイズを示している。
1ｋHz以上の周波数域で本願発明（（ａ）図）の方が従来例（（ｂ）図）より、測定結果の位相差が前後横の3方向でまとまっており、高域までノイズキャンセルの効果を利かせるのに有効である。
1ｋHz以上の周波数域で本願発明（（ａ）図）の方が従来例（（ｂ）図）より、測定結果の位相差が前後横の3方向でまとまっており、高域までノイズキャンセルの効果を利かせるのに有効である。
（ｂ）図に示す従来例は、各方向に対するマイクの拾うノイズの位相差が大きくなる帯域は、位相がずれてノイズを増幅してしまうため、フィルタのゲインを下げて効果を持たせないようにしている
＜４＞
図１３は図３に示す４ポートを有する構造において、従来例を示す図１５に示す筐体のように外部に設置したマイクに対して、図３に示す４ポート内に設置したマイクのレベル差を示す図、図１４は図１に示す全方位開放構成において、従来例を示す図１５に示す筐体のように外部に設置したマイクに対して、図１に示す筐体の側面の周方向に沿って全周にわたって開放面を有するスリット内に設置したマイクのレベル差を示す図である。
＜４＞
図１３は図３に示す４ポートを有する構造において、従来例を示す図１５に示す筐体のように外部に設置したマイクに対して、図３に示す４ポート内に設置したマイクのレベル差を示す図、図１４は図１に示す全方位開放構成において、従来例を示す図１５に示す筐体のように外部に設置したマイクに対して、図１に示す筐体の側面の周方向に沿って全周にわたって開放面を有するスリット内に設置したマイクのレベル差を示す図である。
図１３に示すように、４ポートにした場合マイクの拾う信号は共振点を持っていることを示している。前、後方向からのノイズ照射の場合、開管と考えられ開管の共振点は、(1／2)λ、(2／2)λ、(3／2)λ、……であり、2.4kHz、4.9kHz、7.2kHz、9.7kHz、……となる。また、横方向からのノイズ照射の場合、閉管と考えられ、閉管の共振点は(1／4)λ、(2／4)λ、(3／4)λ、……であり、2.4kHz、7.3kHz、12kHz、……となる。
しかし、図１４に示すように図１のように全周に沿って開放面を有するスリットの場合、共振が抑えられていることが分かる。
よって、図１の全周にわたって開放面を有するスリットを有する構成の方が、図３、図５の4ポートの構成よりもよりフィルター設計が容易になる。
よって、図１の全周にわたって開放面を有するスリットを有する構成の方が、図３、図５の4ポートの構成よりもよりフィルター設計が容易になる。
なお、４ポートであっても、ポート長が、共振を起こすポート長よりも短ければ、共振は発生しない。
１２ 筐体
１３ スピーカ
１６ マイク
１９ ガイド
１３ スピーカ
１６ マイク
１９ ガイド
Claims (4)
- 筐体に外部ノイズを集音するマイク、使用者の外耳道の開口に向かって音を放出するスピーカを設け、前記マイクによって集音されるノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号で前記スピーカを駆動して、前記外部ノイズと逆位相のノイズキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンであって、
前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられ、
前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、
前記ガイドは、前記スピーカから放出される音の進行方向に沿った前記筐体の側面の周方向に沿って形成されたスリットである
ことを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
- 筐体に外部ノイズを集音するマイク、使用者の外耳道の開口に向かって音を放出するスピーカを設け、前記マイクによって集音されるノイズ信号からノイズキャンセル信号を生成し、該ノイズキャンセル信号で前記スピーカを駆動して、前記外部ノイズと逆位相のノイズキャンセル音を放出するノイズキャンセルヘッドホンであって、
前記マイクは、前記筐体内であって、前記スピーカの振動板の後方の音響空間であるバックキャビティの外部に１つ設けられ、
前記筐体に前記外部ノイズを前記マイクへ導くガイドを設け、
前記ガイドは、
前記スピーカから放出される音の進行方向に沿った前記筐体の側面に、複数形成された集音口と、
各集音口からの外部ノイズを前記マイクへ導く管と、
からなる
ことを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
- 前記マイクは、
前記スピーカから放出される音の進行方向と直交する方向の前記筐体の断面の中央部に設けられている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノイズキャンセルヘッドホン。 - 前記マイクは、
前記スピーカから放出される音の進行方向と直交する方向の前記筐体の断面の中央部から２．５ｍｍ以内でオフセットした位置に設けられている
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のノイズキャンセルヘッドホン。
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