JP6731555B2 - 音声明瞭度向上システム - Google Patents

Description

本発明は、特に雑音が多い環境および／またはその他の困難な音響条件における聴取快適性および音声認識の向上に関する。

雑音の多い環境での音声通信が困難であることは日常的な経験である。特にカクテルパーティ、カフェなどの状況では、信号（会話相手の音声）が非常によく似ていて、ノイズ（他人の声）よりも大音量ではないため、困難が伴う。複数の言葉を区別するためには、通常の聴覚を持つ人には多くの精神的努力が必要であり、また非常に軽度の難聴を持つ人にはさらに多くの精神的努力が必要である。

（アダプティブマイクの指向性パターンを含む）多くのノイズ抑制アルゴリズムは、ＳＮ比（ＳＮＲ）において大幅な向上を示す。しかしながら、それらは、例えば処理したアーチファクトおよび不自然な音のために、実際のテストにおいてより良い音声認識スコアを提供することに失敗することが多い。

伝統的な受動的聴覚保護具は概して、特により高い周波数ではあまりにも大きく減衰し過ぎて、音声認識をさらに悪化させる。さらに、伝統的な聴覚保護具は、閉塞させる（つまり、ユーザは、対抗策を講じずに外耳道を塞いでいるために、自分の声の「しわ（hollow）」、「こもり（muffled）」、または「響き（booming）」の音質を感じる）。

音楽の知覚を歪めないように広範囲のオーディオ周波数内で均等に減衰することを目的としたいわゆる音楽用耳栓は、概して雑音の多い環境で音声を理解するのに役立つにはあまりにも減衰している。またこの耳栓は、多くの場合には閉鎖効果に対処していない。

一方、補聴器は、一般的な音の増幅方法を使用して聴覚を向上させることを目的としている。これは、上述したように、雑音の多い環境で音声を理解することが困難な通常の聴覚者またはほぼ正常な聴覚者にとっては多くの場合には役に立たないであろう。さらに、従来の補聴器は、自身の声の骨伝導音のためにあまりにも多くの通気孔を提供して外耳道から逃すことによって閉塞効果に対処し、それによって、低音周波数のいかなる減衰も防止するか、または非常に少ない通気孔を提供することによって、ユーザが話すときに閉塞効果をもたらす。

正常な聴覚者または正常に近い聴覚者にとって、雑音の多い環境における聴取快適性および／または音声認識を改善するための上述の課題のうちの１つ以上に向けられた耳用装置は、非常に有利であり有用である。

本発明者らは、特に雑音の多い環境における聴取快適性および会話の了解度に関連する上述の問題および課題を特定して、以下に記載する発明を完成させた。本発明者らは、心理音響学および聴覚学からのよく知られた多くの研究結果および理論を新規の特徴と組み合わせて、有利な複合技術的効果を達成し、個人がその人の前にいる人と会話をするための向上した能力を有するためのリスニングエイドを提供した。

本発明は、困難な音響条件のための音声明瞭度向上システムに関し、音声明瞭度向上システムは、人の外耳道に挿入する少なくとも１つの耳栓を備え、少なくとも１つの耳栓は、外耳道に面した部分と、周囲に面した部分と、を備えて設けられ、少なくとも１つの耳栓は、周囲に面した部分を外耳道に面した部分に結合する通気孔を含む音響減衰経路と、周囲に面した部分のマイクロフォン、可変利得、および外耳道に面した部分のラウドスピーカを含む電気音響経路と、を含み、音響減衰経路は、周囲に面した部分から外耳道に面した部分までの伝達関数がローパス・カットオフ周波数を有するローパス特性を有するように構成され、ローパス特性は、カットオフ周波数より低い周波数に対して公称減衰量（Ｇ_０）だけ減衰する。

本発明の一実施形態の有利な効果は、音響減衰経路の周囲に面した部分から外耳道に面した部分までの減衰を適用するとともに、音響減衰経路の通気孔によって閉塞効果が低減されることである。

本発明の一実施形態によれば、提供される音圧レベル（Sound Pressure Level : SPL）が、了解度の向上のために最適化される。音声が非常に低いレベルで提供される場合、重要な音声のキュー（cue）が聞こえないので理解するのが難しく、複数の音素を区別することを難しくする。レベルが上がるにつれて、音声認識は、ある時点で認識がレベルの上昇とともに悪化し始めるまで上昇する。この現象は、多くの場合に「ロールオーバ（rollover）」効果と呼称される。カクテルパーティの状況では、全体的な環境のＳＰＬは、通常、ロールオーバ・ポイントを超えている。一実施形態によれば、音響減衰経路は、公称減衰量を適用し、それによって、大きな音声、または雑音の多い環境における音声の了解度を向上させる。さらに、一実施形態によれば、電気音響経路は、音声の了解度を向上させるために負の利得を適用してもよい。

本発明の有利な特徴は、低域の受動的処理であり、それによってローパス・カットオフ周波数以下の周波数が音響的に減衰される。（アダプティブマイクの指向性パターンを含む）多くの従来のノイズ抑制アルゴリズムは、ＳＮＲにおいて大幅な向上を示す。ただし、これらのアルゴリズムは、ユーザの注意を引く「グリッチ（glitch）」または不自然な音を発生させる傾向があり、それによって認識されるべき音声にフォーカスが絞られるかまたは認識されるべき音声をマスキングするため、実際のテストでは、多くの場合に音声認識スコアが向上しない。このことは本発明によって回避される。

本発明は、わずかな全体的な減衰を適用することによって、雑音の多いまたはそうでなければ騒々しい環境での長期滞在を可能とすることによって有利である。例えば、３ｄＢの全体的な減衰によって、騒音暴露が５０％低減され、あるいは装着者が、システムがない場合と同じように騒音暴露に耳がさらされる状況において２倍長く滞在することを可能にする。

大きな音にさらされることに対する保護をさらに高めるために、外耳道に伝達されるピークＳＰＬを制限するための手段を含むことが有利である。これは、音響減衰経路、電気音響経路、またはその両方で行われ得る。ピーク制限手段は、例えば狭い複数のスロットによって具体化される音響機構、例えば制限された動きを有する薄い膜を用いて具体化される電気機械的機構を含んでもよい。さらに、電気音響的手段は、大きな音が検出されたときに電気的利得を単に低減させるように、および／または減衰させる音の位相反転レプリカをラウドスピーカを介して発するように、用いられてよい。

雑音による聴力低下は、外耳道の共鳴のために３ｋＨｚ付近で最も顕著に見られる。したがって、耳に伝達される約３ｋＨｚのパワーを制限する利得低減機構を含めることが特に有利である。

一実施形態では、公称減衰量は、５００Ｈｚで２ｄＢ〜１０ｄＢの範囲内であり、例えば、５００Ｈｚで２ｄＢ〜８ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで２ｄＢ〜６ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで２ｄＢ〜５ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで３ｄＢ〜５ｄＢの範囲内、または５００Ｈｚで３ｄＢ〜４ｄＢの範囲内である。

一実施形態では、ローパス・カットオフ周波数は、６００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの範囲、例えば、７００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲、７５０Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲、または８００Ｈｚであり、ローパス・カットオフ周波数は、３ｄＢのコーナー周波数である。

一実施形態では、ローパス特性は、５０Ｈｚからカットオフ周波数まで実質的に平坦である。
一実施形態では、電気音響経路は、ハイパス・カットオフ周波数を有するハイパス特性を有する周囲に面した部分から外耳道に面した部分までの伝達関数で構成され、電気音響経路は、ハイパス・カットオフ周波数よりも高い周波数に対してハイパス利得を適用するように構成される。

本発明によれば、可変利得は、制御可能な利得を有する信号処理ブロックを指定し、それによって電気音響経路がハイパス利得を適用することを可能にする。利得は、負でも正でもよいことに留意されたい。

本発明の一実施形態によれば、システムに対してハイパス利得を適用することによって、低エネルギー消費、ラウドスピーカの有利な使用などが可能となる。
本発明の一実施形態によれば、ローパス特性を適用することによって、電気音響経路によって処理された高周波成分のマスキングをより少なくすることが可能となる。

一実施形態では、ローパス・カットオフ周波数およびハイパス・カットオフ周波数によって、音響減衰経路と電気音響経路との間のクロスオーバー周波数が設定される。
異なる２つの種類の経路の使用によって、電気音響経路の伝達関数と音響減衰経路の伝達関数とを組み合わせたハイブリッド伝達関数を設定することが可能となる。組み合わされた伝達関数の有利な効果は、システムの制御アルゴリズムが、クロスオーバー周波数を超える周波数の制御のみにフォーカスすることができるということである。

一実施形態では、ハイパス利得は、最小ゲインと最大ゲインとの間で制御可能である。
一実施形態では、ハイパス利得は、３ｋＨｚで−３０ｄＢ〜＋２０ｄＢの範囲内、例えば３ｋＨｚで−２５ｄＢ〜＋１５ｄＢの範囲内、または３ｋＨｚで−２０ｄＢ〜＋１０ｄＢの範囲内である。

一実施形態では、ハイパス・カットオフ周波数は、６００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの範囲、例えば、７００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲、７５０Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲、または８００Ｈｚであり、ハイパス・カットオフ周波数は、３ｄＢのコーナー周波数である。

一実施形態では、ハイパス特性は、カットオフ周波数から少なくとも５ｋＨｚまで、例えば７ｋＨｚまで実質的に平坦である。
一実施形態では、耳栓は、可変利得を制御するように構成された利得コントローラを含む。

一実施形態では、可変利得を制御することは、マイクロフォンからの信号に基づく。
一実施形態では、可変利得を制御することは、マイクロフォンからの信号のレベルに基づく。

一実施形態では、電気音響経路は、マイクロフォン・プリアンプおよびフィルタを含む。
一実施形態では、電気音響経路の伝達関数および音響減衰経路の伝達関数のうちの少なくとも１つは、開放耳共鳴の補償利得を含む。

外耳道に耳栓を挿入すると、開放耳の固有周波数応答が変化し、３ｋＨｚ付近の開放耳の共鳴付近で最も顕著である。有利な実施形態では、この変化は、その周波数で同様の利得を適用することによって補償される。補償は、例えば、マイクロフォン・プリアンプ、可変利得、可変利得とラウドスピーカとの間、またはラウドスピーカから外耳道までの音響的な経路に適用されてもよい。

一実施形態では、利得コントローラは、デジタル方式で具体化され、アナログ−デジタル変換器は、マイクロフォンと利得コントローラとの間に設けられている。
一実施形態では、可変利得は、利得コントローラに接続されたデジタル制御入力を有する。

一実施形態では、マイクロフォンは、ハイパーカージオイドのマイクロフォンなどの指向性マイクロフォンである。
指向性マイクロフォンを使用すると、信号対雑音比（ＳＮＲ）が大幅に向上し得る。いくつかの研究は、補聴器に指向性マイクロフォンを使用することが、信号対雑音比を改善してカクテルパーティの状況で音声認識を改善するための最も効果的で信頼性の高い単一の方法であることを示した。本発明の好ましい実施形態はクロスオーバー周波数よりも上の周波数でマイクロフォン信号を再生するだけであるが、指向性マイクロフォンの使用によって実施形態のＳＮＲがさらに向上する。

一実施形態では、可変利得は、アナログ方式である。
一実施形態では、利得コントローラは、デジタル方式である。
一実施形態では、ラウドスピーカは、動電型ラウドスピーカである。

一実施形態では、耳栓は、バッテリ駆動され、例えば充電式バッテリによって電力供給される。
一実施形態では、大きな音を減衰させるピーク制限手段、例えばピーク制限システムを備える。これは、大きな音にさらされることに対するユーザの保護を向上させるのに有利である。ピーク制限手段は、外耳道に伝達されるピーク音圧レベル（ＳＰＬ）を制限するように構成される。

一実施形態では、ピーク制限手段、例えば、ピーク制限システムは、音響減衰経路に配置されたピーク制限器を含む。これは、通気孔に１つまたは複数の狭いスロットを設けて通気孔を介して伝達される音響パワーの量を制限することによって有利に具体化され得る。

一実施形態では、ピーク制限手段、例えば、ピーク制限システムは、電気音響経路に配置されたピーク制限器を含む。これは、マイクロフォンおよび／またはラウドスピーカに配置された電気機械的ピーク制限器によって、例えば、マイクロフォンまたはラウドスピーカの膜変位を制限することによって具体化されてもよい。あるいは、有利には、電気音響経路内のピーク制限器は、所定のピーク制限閾値を超えるレベルを有するマイクロフォンによって受信された音を減衰するように構成された、および／または所定のピーク制限閾値を超えるレベルを有するマイクロフォンによって受信された音の位相反転レプリカをラウドスピーカによって生成するように構成された電子ピーク制限器によって具体化されてもよい。

一実施形態では、ピーク制限手段、例えば、ピーク制限システムは、大きな音を減衰させるために、３ｋＨｚの周波数付近で最大の減衰を有するように構成されている。ピーク制限、すなわち、耳に伝達されるパワーを制限することに起因する雑音による聴力低下に対する保護は、雑音による聴力低下がこの周波数で最も顕著であることが多いので、有利には開放された外耳道の共振周波数にフォーカスしている。

一実施形態では、少なくとも１つの耳栓は、人の各外耳道に１つずつ、２つの耳栓を含み、２つの耳栓は、それらの間の設定を調整するように構成されている。

本発明の一実施形態による通気孔経路および可変利得経路の挿入利得対周波数を示すプロットである。 本発明による音声明瞭度向上システムの一実施形態のブロック図である。 典型的な使用シナリオを示す。 外耳道に挿入された本発明の一実施形態による耳栓を示す図である。 本発明の実施形態による通気孔構成を示す。 本発明の一実施形態の概略ブロック図を示す。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
図６は、本発明の一実施形態の概略ブロック図を示す。本発明は、人の外耳道２１８に挿入される耳栓（earplug）２０１を備える。外耳道は、鼓膜２１９で終端となる。耳栓２０１は、外耳道に面した部分４０１と、周囲に面した部分４０２とを有する。外耳道に面する部分と周囲に面する部分との間の境界は、耳栓が全体的に外耳道と接触する、すなわち実質的に外耳道を塞ぐ、耳栓の周囲にある。

耳栓２０１は、以下で詳述するように、例えば２ｄＢと１０ｄＢとの間のローパス・カットオフ周波数よりも下の通過帯域を減衰させるローパス伝達関数によって周囲を外耳道に音響的に結合する通気孔（vent）２１４を含む音響減衰経路２１４を備える。

耳栓２０１はまた、マイクロフォン２０２、好ましくは指向性マイクロフォン、可変利得（variable gain）２０４、すなわち制御可能な利得を有する信号処理ブロック、およびラウドスピーカ（loudspeaker）２０９を含む電気音響経路も含む。電気音響経路は、外耳道２１８内の周囲からの音の再生を可能にする。

図１は、本発明の一実施形態による音響減衰経路および電気音響経路の挿入利得対周波数を示すプロットである。０ｄＢの挿入利得ＩＧは、外耳道が開放されている状態、すなわち耳栓が挿入されていない状態から、周囲から鼓膜２１９までの伝達関数に対応する。図示の挿入利得曲線１０１，１０２，１０３，１０４は、耳栓２０１を挿入することによって達成される開放された耳の状況との差を示し、曲線１０１は、音響減衰経路によって得られる挿入利得を示し、曲線１０２，１０３，１０４は、電気音響経路によって得られる様々な挿入利得を示す。

音響減衰経路は、約８００Ｈｚのカットオフ周波数を有するローパス特性を有する伝達関数１０１を適用する。ローパス特性は、約５０Ｈｚからカットオフ周波数までの帯域では、実質的に平坦であるが、２ｄＢと１０ｄＢとの間、例えば３〜４ｄＢの公称減衰量（nominal attenuation）Ｇ_０を有する。したがって、開放された耳のシナリオと比較して、通気孔２１４は、低音の全体的な減衰およびカットオフ周波数を超える音成分のかなりの遮断を生じさせる。

電気音響経路は、音響ローパスフィルタのカットオフ周波数に実質的に等しい約８００Ｈｚのカットオフ周波数のハイパス特性を有する可変利得１０２，１０３，１０４を有する伝達関数を適用する。ハイパス特性は、ほぼカットオフ周波数から例えば、５ｋＨｚ、７ｋＨｚまたはそれ以上までの帯域において実質的に平坦である。平坦な帯域での可変利得１０２は、例えば、曲線１０１の公称減衰量Ｇ_０と一致するように設定されて、複数の環境音の固有周波数応答を組み合わせて示すが、全体的に低下した音圧レベル（sound pressure level : SPL）で示す。可変利得は、別の状況では、例えば曲線１０３に従って最小ゲインＧ_ＭＩＮにさらに低減させて、ユーザが自分の耳を安静にするかまたは保護することを可能にしてもよい。可変利得は、例えば会話の状況では、例えば曲線１０４に従って増大された利得に設定されて、子音を強調して音声明瞭度を改善してもよい。

図２は、本発明による音声明瞭度向上システムの一実施形態のブロック図を示す。このシステムは、人の１つまたは複数の外耳道２１８に挿入するのに適した１つまたは２つの耳栓２０１を備える。

各耳栓２０１は、外耳道をほぼ塞ぐ外形を有するが、外耳道２１８を人の周囲に音響的に結合する通気孔２１４を備える。通気孔には、一端または両端に通気孔用制動布２１３が設けられてもよく、ここでは通気孔の外耳道の端部に示されている。通気孔２１４は、環境音が人の鼓膜２１９に到達することを可能にするが、減衰されたレベルで到達するように構成される。通気孔２１４によって提供される減衰は、好ましくはローパスフィルタとして、好ましくは図１の通気孔減衰曲線１０１に従って、周波数に依存することが好ましい。

通気孔減衰曲線１０１の通気孔カットオフ周波数ｆｘは、例えば６００Ｈｚから１２００Ｈｚの範囲内、例えば約８００Ｈｚに位置付けられ、通気孔カットオフ周波数ｆｘ以下では、通気孔２１４は、例えば３ｄＢと９ｄＢとの間、好ましくは約３ｄＢの公称減衰量Ｇ_０を適用する。通気孔カットオフ周波数よりも上では、通気孔減衰曲線はロールオフし、それによってより高い周波数を遮断する。

減衰通気孔は、制動材料（damping material）または制動布（damping cloth）と様々な直径の管路セグメントとの組み合わせを使用して、当業者に一般に知られているいくつかの方法で具体化され得る。５０Ｈｚからカットオフ周波数までの周波数範囲において２ｄＢと１０ｄＢとの間の基本的に周波数に依存しない減衰を有するとともに、外耳道に面する部分４０１から見て、通気孔の基本的に低い入力インピーダンスを維持することを設計目標としている。構成を単純かつコンパクトに保つように、閉塞に関する通気孔の有益な効果と、周囲に面する部分４０２から外耳道に面する部分に伝達される音の減衰との間でトレードオフがなされなければならない。好ましい実施形態では、閉塞効果の主観的に許容可能な印象を維持しながら、約４ｄＢの減衰を達成できることがわかった。

通気孔２１４は、例えば、５ｍｍの長さ、および１．５ｍｍの直径を有する、１つの管路（conduit）として設けられることが好ましいが、代替の実施形態では、２つ以上の管路の組み合わせとして設けられてもよい。１つまたは複数の管路は、一方または両方の端部で分岐されてもよい。１つまたは複数の管路の端部の孔は、管路の直径と比較して同じかまたは異なる直径を有してもよく、制動を適用するためにおよび／または管路が破片によって詰まるのを回避するために、一方または両方の端部で制動布２１３によって覆われてもよい。図５Ａ〜５Ｃに示された通気孔の複数の実施形態の例では、通気孔２１４は、１つ以上の管路５１４によって形成される。図５Ａでは、１本の管路５１４であり、図５Ｃでは、２本の管路５１４であり、図５Ｂでは、分岐された管路５１４である。分岐された管路は、一方または両方の端部、および２つ以上の分岐で分岐され得ることに留意されたい。図中の通気孔２１４は、耳栓２０１の周囲に面する部分４０２から耳栓２０１の外耳道に面する部分４０１まで延びている。

音響減衰経路２１４は、一実施形態では、例えば狭い複数のスロット（slot）によって具体化されるピーク制限手段をさらに備えて、大きな音にさらされることに対してユーザを保護してもよい。これは、後述するように電気音響経路で具体化されるピークＳＰＬ制限のためのさらなる手段と組み合わされてもよい。

通気孔２１４に加えて、各耳栓２０１は、マイクロフォン２０２、可変利得２０４およびラウドスピーカ２０９を備え、それによって周囲と外耳道２１８との間にオーディオ用の代替経路を設ける。図１を参照して上述したように、この代替経路は、好ましくはハイパスフィルタとして、好ましくは通気孔２１４のカットオフ周波数と同じ範囲のカットオフ周波数を有して具体化される可変利得を提供し、それによって、図１に示すように、その周波数よりも上の周波数に対する可変利得を適用する。

好ましい実施形態では、ローパス通気孔２１４およびハイパス可変利得２０４のカットオフ周波数は、例えば１００Ｈｚ未満の間隔で、好ましくは５０Ｈｚ未満の間隔で近接しており、これにより、クロスオーバー周波数ｆｘと表され得る。

マイクロフォン２０２は、外耳道２１８の外側の人の周囲に結合されており、任意の音感知デバイス、例えば１つまたは複数の小型のエレクトレットマイクロフォン（electret microphone）を含んでもよい。マイクロフォン２０２は、好ましくは指向性マイクロフォン、例えばマイクロフォン設計の当業者にはよく知られているようなハイパーカージオイド形状（hyper-cardioid shape）の指向性感度パターンを提供するように複数の音響管路を備えて配置された１つまたは複数のトランスデューサ素子を含み得る。

可変利得２０４は、例えば、乗算型デジタル−アナログ変換器、または他の形態のプログラマブル利得増幅器、例えば、切り替えられたフィードバックを持つアンプを使用して具体化されてもよい。

好ましい実施形態では、マイクロフォン２０２から可変利得２０４を介したラウドスピーカ２０９へのオーディオ経路は、音響通気孔経路２１４と電気可変利得経路２０４との間の遅延をできるだけ回避する低遅延経路である。したがって、高速デジタル構成はエネルギー消費や価格が非常に高いため、可変利得２０４は、アナログ構成として、例えば切り替えフィードバックで具体化されることが好ましい。

ラウドスピーカ２０９は、可変利得２０４の出力に基づいて外耳道２１８内に音を生成するように耳栓２０１内に配置される。望ましくない共鳴を回避するために、ラウドスピーカ２０９と外耳道２１８との間に、ラウドスピーカ・ダクト入口用制動布２１０および／またはラウドスピーカ・ダクト出口用制動布２１２を有するラウドスピーカ・ダクト２１１が設けられることが好ましい。通気孔用制動布２１３およびラウドスピーカ・ダクト出口用制動布２１２は、共通の制動布を含んでもよい。ラウドスピーカは、複数の電気信号から音を生成する１つ以上の電気音響変換器、例えば、圧電ラウドスピーカ、バランスドアーマチュアレシーバ（balanced armature receiver）、または好ましくは動電型ラウドスピーカを含み得る。

マイクロフォン・プリアンプおよびフィルタ２０３は、例えば周波数応答、イコライゼーション（equalization）などに関して、マイクロフォン信号を調整するために設けられてもよい。例えば、マイクロフォンフィルタ２０３は、理想的ではないマイクロフォン周波数応答を補償し、および／または耳栓が挿入されたときに修正された開放された外耳道の共鳴を補償するようにイコライゼーションを追加し得る。

修正された外耳道の共鳴を補償するためのイコライゼーションは、システムに組み込まれるべきであるが、都合のよいように信号経路内の様々な場所で実施されてもよい。好ましい実施形態では、３ｋＨｚでのブースト（boost）は、ラウドスピーカ２０９用の出力増幅器段の周りに設けられた電子フィルタリングを用いて実施される。別の好ましい実施形態では、適切な共鳴は、ラウドスピーカ膜の近くの風量および音響ダクト２１１の形状を調整することによって生成される。

可変利得コントローラ２０６は、可変利得２０４を制御するように設けられている。図２に示されるように、可変利得コントローラ２０６は、デジタルコントローラ上で動作するソフトウェアモジュール、例えばＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ−Ｍ０プロセッサを用いて具体化されることが好ましい。可変利得２０４を有するメインチャネルは、上述のようにアナログチャネルであることが好ましいが、サイドチャネルは、コンパクトでプログラム可能な実装を可能にするデジタル領域、好ましくは、全ての必要なサブシステム、例えばアナログ−デジタル変換器２０５、デジタル−アナログ変換器２０７、可変利得コントローラ２０６、システムコントローラ２１５、およびさらなる構成要素のための入力／出力チャネルで具体化されることが好ましい。プロセッサは、内蔵通信インタフェース２１６、例えばブルートゥース無線通信インタフェースさえも含み得る。代替の実施形態では、サイドチェーン（side-chain）はメインチャネルと類似している。別の実施形態では、メインチャネル、特に可変利得も、プロセッサ内のソフトウェアモジュールによって具体化される。

可変利得コントローラ２０６は、マイクロフォンからのオーディオ信号を受信して分析し、それに基づいて可変利得２０４を制御するように構成される。一実施形態では、アナログ−デジタル変換器２０５のサンプリングレートは、サンプリングされた信号が単に制御のために使用されるので、通常のオーディオ要件を満たす必要はないが、その信号は、可変利得２０４によって処理され、ラウドスピーカ２０９に転送されるメインチャンネルのアナログ信号であることが好ましい。一実施形態では、アナログ−デジタル変換器２０５のサンプリングレートは、例えば、８ｋＨｚ〜２４ｋＨｚの範囲であり得る。

一実施形態では、利得コントローラ２０６は、マイクロフォン信号のレベルおよび／または内容に基づいて動作モードおよび可変利得２０４を制御する。例えば、全体的な減衰の動作モードは、全体的に大きな雑音を含み且つ音声成分がないマイクロフォン信号を判定することに基づいて選択され得る。例えば、所定の閾値よりも下の全体的なバックグラウンド雑音レベルで音声信号を判定する場合、周期的な正の利得の動作モードが、子音を強調することによって音声明瞭度を向上させるために選択され得る。例えば、いくつかの会話または子音のような音が遮断されるために子音を周期的に強調することが不可能である非常に騒々しく雑音の多い環境において音声信号を判定する場合には、全体的に増大された正の利得の動作モードが選択され得る。

可変利得２０４の利得は、好ましい実施形態では、入力としてマイクロフォン信号の短時間のパワースペクトルを用いるヒューリスティックモデル（heuristic model）に基づいて可変利得コントローラ２０６によって制御される。好ましい実施形態では、可変利得コントローラ２０６は、例えば、変調スペクトルがある基準を満した場合に、特定の条件を検出し、それに応答して可変利得２０４を異なる方法で、例えば子音を際立たせる音節圧縮を利用する。これは、例えば、音声明瞭度を向上させるために有利であり得るが、他のオーディオカテゴリ、不自然に聞こえる音楽を生じさせる可能性がある。可変利得コントローラによって検出される特定の条件は、現在受信しているオーディオカテゴリに応じて可変利得制御モードを変更できるようにするため、例えば、音声と他の音とを区別する異なるオーディオカテゴリ、または音声、音楽、およびノイズのより多くのカテゴリ、または音声の個々の音声単位、例えば母音タイプと子音タイプを区別等するさらに多くのカテゴリに関する。例えば、好ましい実施形態では、上記の音節圧縮が子音を際立たせるように適用され得るが、関連する子音が検出されるかまたは発生する可能性があるときだけである。サイドチェーンのサンプリング周波数が比較的低く、メインチャンネルの遅延がない場合でも、音声の単位レートは、モードを変更する時間を残して特定の音声単位の残りを強調するのに十分に遅く、了解度の著しい改善をもたらす。

好ましい実施形態では、システムコントローラ２１５は、システムの種々の部分の全体的な制御のために設けられている。上述のように、システムコントローラ２１５は、可変利得コントローラ２０６を実装するのと同じプロセッサに統合されることが好ましいが、他の実施形態では、別個のプロセッサまたはより単純な論理回路として具体化されてもよい。システムコントローラは、例えば、スイッチのオンオフ、モードおよび／またはパラメータの変更、バッテリ電力および充電の監視などを制御するように構成され得る。

好ましい実施形態では、システムは、無線通信インタフェース２１６、好ましくはブルートゥース低エネルギーインタフェース、または他の無線通信技術を備える。
通信インタフェース２１６は、例えばスマートフォンからのストリーミングオーディオを受信するように用いられ、ストリーミングオーディオは、システムコントローラ２１５および可変利得コントローラ２０６によって処理され、デジタル−アナログ変換器（digital-to-analog converter : DAC）２０７および加算ポイント２０８（summing point）によってメインオーディオチャネルに投入され、スピーカ２０９によって再生され得る。

一実施形態では、音声明瞭度向上システムは、人の各外耳道に１つずつ、２つの耳栓２０１を備え、通信インタフェース２１６は、２つの耳栓に用いられて設定およびパラメータを通信する。これにより、両方の耳栓における利得またはモードの同期した変化も可能となる。

一実施形態では、大部分のサイドチェーンの処理が一方の耳栓で行われ、結果として生じるモードおよびパラメータの変更が、反対側の外耳道の耳栓で使用されるように転送され、それによって耳栓の総エネルギー消費が低減される。

無線通信インタフェース２１６はまた、あるいは代わりに、耳栓の遠隔制御のために使用されてもよい。
一実施形態では、耳栓２０１は、デバイス、例えばシステムによって再生されるオーディオおよび／またはデータを転送するためのデバイス、例えばスマートフォンへの有線接続のためのコネクタを備える。

好ましい実施形態では、システムコントローラ２１５は、ユーザインタフェース２１７に、例えばプロセッサのアナログまたはデジタル入力チャンネルを介して通信可能に結合されている。ユーザインタフェース２１７は、タッチ制御のための容量センサを含むことが好ましいが、それに代えてまたはその代わりに、スイッチ、押しボタン、感光装置などを含んでもよい。ユーザインタフェースは、代替的または追加的に、赤外線または無線周波数ベースの遠隔制御などの任意の遠隔制御技術の遠隔制御入力を含んでもよい。ユーザインタフェース２１７は、好ましい実施形態では、耳栓２０１の外側部分の単一のタッチ検出領域であり、例えば、装置のモードを変更する、例えば会話を聴くための音声向上モードと、接続されたスマートフォンまたは他のデバイスから音楽または電話の通話をストリーミングするためのヘッドフォンモードとの間で変更する、または最大の減衰を適用して聴力をできるだけ保護する耳休息モードに変更するように用いられてよい。

一実施形態では、ＤＡＣ２０７は、システムメッセージおよび／またはユーザの対話に対するフィードバックをユーザの耳に提供するように用いられる。
各耳栓２０１は、電子機器に電力を供給する充電式バッテリ２２０を備えることが好ましい。

一実施形態では、電気音響経路は、大きな音にさらされることに対してユーザを保護するためのピーク制限手段をさらに含み、例えば、マイクロフォンおよび／またはラウドスピーカ膜の機械的制限によって具体化されるか、あるいは、大きな音が検出されたときに電気的利得を低減させることによって、および／またはラウドスピーカを介して減衰される音の位相反転レプリカを発することによって電子的に具体化される。これは、上述のように音響減衰経路で実施されるピークＳＰＬ制限のためのさらなる手段と組み合わせることができる。

図３は、典型的な使用シナリオ、例えば上述のカクテルパーティのシナリオを示しており、聴取者３０１は、ここでは複数の他の人の間の会話の形態で示されている背景雑音３０３によって妨害されている間、話している人３０２の音声を聞こうとしている。聴取者３０１は、本発明の一実施形態の耳栓２０１を装着しており、それによって改善された音声明瞭度を知覚する。

図４は、外耳道２１８に挿入された本発明の一実施形態による耳栓２０１を示す。耳栓２０１は、好ましくは、人の外耳１４０１内に載置され、異なる使用者の外耳道内に音響シール（acoustic sealing）を提供するための可撓性イヤーチップ（ear tip）１４０２を備えている。外耳道２１８とのイヤーチップ１４０２の接触は、外耳道に面する部分４０１と耳栓２０１の周囲に面する部分４０２との間の境界を画定する。耳栓は、周囲を外耳道と音響的に結合する通気孔２１４を備える。周囲に面する部分４０２のマイクロフォン２０２、プリアンプ（preamp）２０３、可変利得２０４、およびラウドスピーカ２０９を含む電気音響経路が、耳栓内に設けられ、ラウドスピーカ・ダクト２１１が耳栓の外耳道に面する部分４０１に設けられている。

上記の説明において、図面を参照するために以下の符号が使用されている。

ＩＧ 挿入ゲイン
ｆ_ｘ クロスオーバー周波数
Ｇ_０ 公称減衰量
Ｇ_ＭＡＸ 最大ゲイン
Ｇ_ＭＩＮ 最小ゲイン
１０１ 音響減衰経路ゲイン曲線
１０２ 電気音響経路ゲイン曲線、中間
１０３ 電気音響経路ゲイン曲線、最小
１０４ 電気音響経路ゲイン曲線、最大
２０１ 耳栓
２０２ マイクロフォン
２０３ マイクロフォン・プリアンプおよびフィルタ
２０４ 可変利得
２０５ アナログ−デジタル変換器
２０６ 可変利得コントローラ
２０７ デジタル−アナログ変換器
２０８ 加算ポイント
２０９ ラウドスピーカ
２１０ ラウドスピーカ・ダクト入口用制動布
２１１ スピーカ・ダクト
２１２ ラウドスピーカ・ダクト出口用制動布
２１３ 通気孔用制動布
２１４ 通気孔
２１５ システムコントローラ
２１６ 通信インタフェース
２１７ ユーザインタフェース
２１８ 外耳道
２１９ 鼓膜
２２０ バッテリ
３０１ 聴取者（装着者／ユーザー）
３０２ 話す人（会話相手）
３０３ 背景雑音（競合する音声）
４０１ 周囲に面する部分
４０２ 外耳道に面する部分
５１４ 通気孔の管路
１４０１ 耳介（外耳）
１４０２ 音響シールを提供する柔軟なイヤーチップ

Claims (15)

1. 困難な音響条件のための音声明瞭度向上システムであって、
   人の外耳道（２１８）に挿入する少なくとも１つの耳栓（２０１）を備え、
   前記少なくとも１つの耳栓は、外耳道に面した部分（４０１）と、周囲に面した部分（４０２）と、を備えて設けられ、
   前記少なくとも１つの耳栓は、
   前記周囲に面した部分（４０２）を前記外耳道に面した部分（４０１）に結合する通気孔（２１４）を含む音響減衰経路（２１４；２１４，２１３）と、
   前記周囲に面した部分（４０２）のマイクロフォン（２０２）、可変利得（２０４）、および前記外耳道に面した部分（４０１）のラウドスピーカ（２０９）を含む電気音響経路（２０２，２０４，２０９；２０２，２０３，２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）と、を含み、
   前記音響減衰経路（２１４；２１４，２１３）は、前記周囲に面した部分（４０２）から前記外耳道に面した部分（４０１）までの伝達関数がローパス・カットオフ周波数を有するローパス特性を有するように構成され、前記ローパス特性は、前記ローパス・カットオフ周波数より低い周波数に対して公称減衰量（Ｇ_０）だけ減衰する、前記音声明瞭度向上システムにおいて、
   前記公称減衰量（Ｇ_０）は、５００Ｈｚで２ｄＢ〜１０ｄＢの範囲内であり、例えば、５００Ｈｚで２ｄＢ〜８ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで２ｄＢ〜６ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで２ｄＢ〜５ｄＢの範囲内、５００Ｈｚで３ｄＢ〜５ｄＢ、または５００Ｈｚで３ｄＢ〜４ｄＢの範囲であり、
   前記ローパス・カットオフ周波数は、６００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの範囲、例えば、７００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲、７５０Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲、または８００Ｈｚであり、前記ローパス・カットオフ周波数は、３ｄＢのコーナー周波数であることを特徴とする音声明瞭度向上システム。
2. 前記通気孔（２１４）は、該通気孔（２１４）の少なくとも１つの端部に、例えば、該通気孔（２１４）の両方の端部に通気孔用制動布（２１３）を含む、請求項１に記載の音声明瞭度向上システム。
3. 前記ローパス特性は、５０Ｈｚから前記ローパス・カットオフ周波数まで実質的に平坦である、請求項１または２に記載の音声明瞭度向上システム。
4. 前記電気音響経路（２０２，２０４，２０９；２０２，２０３，２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）は、ハイパス・カットオフ周波数を有するハイパス特性を有する前記周囲に面した部分（４０２）から前記外耳道に面した部分（４０１）までの伝達関数で構成され、
   前記電気音響経路（２０２，２０４，２０９；２０２，２０３，２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）は、前記ハイパス・カットオフ周波数よりも高い周波数に対してハイパス利得（１０２，１０３，１０４）を適用するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
5. 前記ローパス・カットオフ周波数および前記ハイパス・カットオフ周波数によって、前記音響減衰経路（２１４；２１４，２１３）と前記電気音響経路（２０２，２０４，２０９；２０２，２０３，２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）との間のクロスオーバー周波数が設定される、請求項４に記載の音声明瞭度向上システム。
6. 前記ハイパス利得は、３ｋＨｚで−３０ｄＢ〜＋２０ｄＢの範囲内、例えば３ｋＨｚで−２５ｄＢ〜＋１５ｄＢの範囲内、または３ｋＨｚで−２０ｄＢ〜＋１０ｄＢであり、且つ
   前記ハイパス・カットオフ周波数は、６００Ｈｚ〜１２００Ｈｚの範囲、例えば、７００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲、７５０Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲、または８００Ｈｚであり、ローパス・カットオフ周波数は、３ｄＢのコーナー周波数である、請求項４または５に記載の音声明瞭度向上システム。
7. 前記ハイパス特性は、前記カットオフ周波数から少なくとも５ｋＨｚ、例えば７ｋＨｚまで実質的に平坦である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
8. 前記耳栓（２０１）は、前記可変利得（２０４）を制御するように構成された利得コントローラ（２０６）を含み、
   好ましくは、前記可変利得（２０４）を制御することは、前記マイクロフォン（２０２）からの信号に基づき、例えば、前記マイクロフォン（２０２）からの信号のレベルに基づく、請求項１〜７のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
9. 前記電気音響経路の伝達関数および前記音響減衰経路の伝達関数のうちの少なくとも１つは、開放耳共鳴の補償利得を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
10. 前記利得コントローラ（２０６）は、デジタル方式で具体化され、
    アナログ−デジタル変換器（２０５）は、前記マイクロフォン（２０２）と前記利得コントローラ（２０６）との間に設けられている、請求項８または請求項８に従属する請求項９に記載の音声明瞭度向上システム。
11. 前記可変利得（２０４）は、前記利得コントローラ（２０６）に接続されたデジタル制御入力を有する、請求項８若しくは請求項１０、又は請求項８に従属する請求項９に記載の音声明瞭度向上システム。
12. 前記マイクロフォン（２０２）は、ハイパーカージオイドのマイクロフォンなどの指向性マイクロフォンである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
13. 前記可変利得（２０４）は、アナログ方式である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
14. 大きな音を減衰させるピーク制限手段、例えばピーク制限システムを備え、
    前記ピーク制限手段、例えば、前記ピーク制限システムは、
    前記音響減衰経路（２１４；２１４，２１３）および前記電気音響経路（２０２，２０４，２０９；２０２，２０３，２０４，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２）のうちの少なくとも一方に配置され、好ましくは、３ｋＨｚの周波数付近で最大の減衰を有するように構成されているピーク制限器を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。
15. 前記少なくとも１つの耳栓は、人の各外耳道に１つずつ、２つの耳栓を含み、前記２つの耳栓は、それらの間の設定を調整するように構成されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の音声明瞭度向上システム。

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