JP7052300B2

JP7052300B2 - 音響出力装置

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Publication number: JP7052300B2
Application number: JP2017214484A
Authority: JP
Inventors: 英喜増井
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP2019087869A

Description

本発明は、例えば音響出力装置に関する。

イヤホンやヘッドホンなどの音響出力装置において、ヒアスルーの機能を持たせたい、という要望がある。ヒアスルーとは、ユーザーが音響出力装置を装用していても、あたかも非装用であるかのように周辺音を聴くことができる機能をいう（例えば特許文献１参照）。

特表２０１５－５３７４６５号公報

ところで、ユーザーが音響出力装置を装用し、音楽プレーヤなどの外部端末から供給される目的の音（以下、「目的音」と称呼する）とともに周辺音を聴く場合に、当該周辺音の聴取性が低下することがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、音響出力装置を装用して、目的音とともに周辺音を聴く場合に、周辺音の聴取性が低下するのを抑える技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る音響出力装置は、筐体に設けられ、ユーザーの周辺音を収音するマイクと、前記筐体に設けられ、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記マイクの収音に基づく収音信号に対して所定の周波数特性を付与するとともに、所定の周波数成分をカットする処理部と、目的音を示す目的音信号と、前記処理部による出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、前記筐体に設けられ、装用されたときにユーザーの外耳道を外部と連通させる通気孔と、を含む。

第１実施形態に係るイヤホンの構成を示すブロック図である。イヤホンの構造を示す図である。イヤホンの装用状態を示す図である。イヤホンにおける周波数応答の例を示す図である。第２実施形態に係るヘッドホンの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る音響出力装置の一例であるイヤホン１０の構成を示すブロック図である。この図に示されるように、イヤホン１０は、マイク１１０、アンプ１１２、１３４、ＡＤＣ１１４、イコライザー１１６、ＩＦ１２２、加算器１３０、ＤＡＣ１３２およびスピーカー１４０を含む。なお、イヤホン１０がユーザーに装用されたとき、スピーカー１４０の放音方向が、当該ユーザーの外耳道に向かう方向に配置される。

マイク１１０は、イヤホン１０を装用するユーザーの周辺音を収音する。アンプ１１２は、マイク１１０により収音された信号を増幅し、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１１４は、アンプ１１２により増幅された信号をデジタル信号に変換する。
イコライザー１１６は、ＡＤＣ１１４の出力信号に補正処理を、例えばイヤホン１０を装用したときに損失（減衰）する周波数帯域を補償する処理を施し、当該処理を施した信号を加算器１３０における第１入力端に供給する。

ＩＦ（InterFace）１２２は、外部端末２００から無線により信号を受信するインターフェイスである。ＩＦ１２２が受信する信号は、外部端末２００で再生された信号、すなわちユーザーに聴かせる音（目的音）の目的音信号である。ＩＦ１２２によって受信された目的音信号は、加算器１３０における第２入力端に供給される。
なお、目的音信号は、例えば外部端末２００で再生された音楽信号である。また、ＩＦ１２２は、目的音信号を無線ではなく有線で受信する構成としても良い。

加算器１３０は、第１入力端および第２入力端のそれぞれに供給された信号同士を加算して、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１３２に供給する。ＤＡＣ１３２は、加算器１３０によって加算された信号をアナログに変換し、アンプ１３４は、ＤＡＣ１３２により変換された信号を増幅する。スピーカー１４０は、アンプ１３４により増幅された信号を空気の振動、すなわち音に変換して出力する。

図２は、イヤホン１０の構造を示す図である。
この図に示されるようにイヤホン１０は、例えばカナル型であり、ハウジング（筐体）１６０およびイヤーピース１８０を含む。
ハウジング１６０は、概略筒状である。ハウジング１６０の内部空間には、スピーカー１４０およびマイク１１０が設けられる。詳細には、ハウジング１６０の内部空間を区画するように、スピーカー１４０が取り付けられ、スピーカー１４０の放音面は、外耳道に向かう方向となっている。
ハウジング１６０の内部空間においてスピーカー１４０で区画される空間のうち、外耳道寄り（図において右側）の空間には、外部と通気させる通気孔（ポート）１６８が１または複数個設けられる。なお、通気孔１６８の個数、孔径および形状については、装用時において後述する特性となるように設けられる。
一方、マイク１１０は、スピーカー１４０で区画される内部空間のうち、外耳道とは反対側の空間に設けられる。

イヤーピース１８０は、ポリビニルやスポンジなどの弾力性を有する素材により、開口部１８６で開口する中空の砲弾形に成形されて、ハウジング１６０の外耳道側に対し着脱自在となっている。イヤーピース１８０がハウジング１６０に取り付けられた状態では、開口部１８６がハウジング１６０の内部空間に連通する。

なお、図１で示したイヤホン１０の構成する要素のうち、マイク１１０およびスピーカー１４０以外の要素については、ハウジング１６０の内部空間、例えばマイク１１０の近傍に設けられるが、図２では省略されている。

図３は、イヤホン１０の装用状態を示す図であり、詳細には、イヤホン１０がユーザーＷの右耳に装用された状態を示す図である。この図に示されるように、イヤホン１０のイヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される。詳細には、開口部１８６が鼓膜３１２に向かう方向に、イヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される一方で、ハウジング１６０の一部が外耳道３１４から露出した状態となる。この状態において、ユーザーＷの外耳道３１４は、ハウジングに１６０に設けられた通気孔１６８によって外部と連通することになる。

ところで、イヤホン１０が非装用である場合、ユーザーＷは、音を、主に、外耳道３１４（空気）を介し鼓膜３１２を振動させて聴覚神経に伝わる気導音として知覚する。

一方、図３に示されるようにイヤホン１０が装用された場合、ユーザーＷは、通気孔１６８などを介して外耳道３１４に漏れ入る音と、スピーカー１４０から発せられる音との合算で音を知覚する。

図４に示されるように、周辺音が振幅（音量）０ｄＢで正規化されたフラットな特性（ａ）である場合、イヤホン１０の装用時に外耳道３１４に漏れ入る音は、同図において特性（ｂ）で示されるように、周波数の高域側で減衰する。

一方、マイク１１０から入力される特性（ａ）の音を、スピーカー１４０から、特性（ｃ）で示されるように周波数の低域側で減衰した特性で出力させる。

イヤホン１０の装用時において、ユーザーＷは、周辺音を、特性（ｂ）で示される音（漏れ入る音）と、特性（ｃ）で示される音（スピーカー１４０から発せられる低域側が減衰した音）との合算で知覚するので、図において三角印で示されるクロスオーバー周波数を調整すれば、結果的に、フラットに近い特性となる。このため、ユーザーＷは、イヤホン１０の装用時において、周辺音について、非装用であるかのごとく、自然な感じで知覚することができる。

なお、特性（ｂ）については、通気孔１６８を適切に設計することにより調整できる。

また、実際には、通気孔１６８等から漏れ入る音の特性（ｂ）において、クロスオーバー周波数以上の帯域に、共鳴等による特性のあばれが発生する。そのため、スピーカー１４０から発せられる音（特性（ｃ））がクロスオーバー周波数以上でフラットであると、合算された音の特性が特性（ａ）から乖離する場合があるので、イコライザー１１６が、マイク１１０で収音された周辺音の信号を補償処理して、合算した特性が特性（ａ）（フラット）に近くなるようにしている。

ところで、マイク１１０で収音されスピーカー１４０から出力される周辺音は、ＡＤＣ１１４やＤＡＣ１３２による変換やイコライザー１１６による処理などのために、漏れ入る周辺音に対して遅延する。ユーザーＷは、イヤホン１０の装用時に周辺音を、マイク１１０で収音されて遅延した周辺音と漏れ入る周辺音との合算で知覚するが、２つの周辺音の位相差が大きいと、知覚される周辺音の特性にディップ（部分的な下降）やリップルなどが発生する。そのため、マイク１１０からスピーカー１４０に至る経路の遅延が小さいのが望ましい。特に重要なのは上記クロスオーバー周波数であり、位相ずれはそのままディップとしてあらわれる。

ここで、クロスオーバー周波数をどの程度とすべきかを考えると、本実施形態では、ユーザーＷがイヤホン１０の装用時に聴きたい周辺音として、ユーザーＷの自声を含む会話音を想定している。一般に、ヒトの声の基音周波数は、成人男性で１８０Ｈｚであり、成人女性で２２０Ｈｚとされている。声を聴いた場合の印象は、当該基音のみならず、当該基音の倍音成分にも左右される。このため、漏れ入る周辺音とマイク１１０で収音された周辺音とが合算された場合に、２２０Ｈｚの倍音である４４０Ｈｚ以下の周波数帯域にディップが発生しない（フラットな）特性であれば、周辺音としての会話音を自然な感じで知覚できると考えられる。

そこで、本実施形態では、上記クロスオーバー周波数を、４４０Ｈｚに対してある程度のマージンを持たせる意味で５００Ｈｚに設定している。
詳細には、本実施形態では、例えば通気孔１６８の適切な設計により、特性（ｂ）として、５００Ｈｚ以下の周波数成分が損失しないような特性とする。一方で、本実施形態では、マイク１１０で収音されスピーカー１４０から出力される周辺音の信号の遅延量を、周波数５００Ｈｚの１／４周期分である０．５ミリ秒以下となるよう設計するとともに、イコライザー１１６にハイパスフィルタ特性を与え、５００Ｈｚ以下の成分を遮断する構成としている。
このように本実施形態によれば、上記クロスオーバー周波数を５００Ｈｚに設定することによって、周辺音としての会話音の自然さを劣化させずに聴取させることが可能となっている。

なお、本実施形態では、上記クロスオーバー周波数を５００Ｈｚに設定しているが、音響機器としての音質設計を優先させる必要があるため、通気孔１６８の設計、すなわちクロスオーバー周波数の設定に制約がかかることがある。このため、本実施形態において、クロスオーバー周波数は、５００Ｈｚであるにしても、ある程度の範囲を伴うことは許容される。

第１実施形態では、イヤホン１０が右耳に装用される場合を例にとって説明したが、左耳に装用されても良い。また、同じ構成のイヤホン１０を２個用意して、右耳に一方を、左耳に他方をそれぞれ装用させるとともに、左耳に装用されるイヤホン１０にステレオの左信号が、右耳に装用されるイヤホン１０にステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される構成としても良い。

＜第２実施形態＞
上述した実施形態では、音響出力装置としてイヤホン１０を例示したが、ヘッドホンとしても適用可能である。

図５は、第２実施形態に係る音響出力装置の一例であるヘッドホン１の構成を示す図である。
この図に示されるように、ヘッドホン１は、ヘッドホンユニット１０Ｌ、１０Ｒと、ヘッドバンド３と、アーム４Ｌおよび４Ｒと、を含む。ヘッドバンド３は、弾力性を備える金属または樹脂などにより、長手方向に円弧を描く形状となっている。ヘッドバンド３の両端のうち、一端側（図において左側）には、アーム４Ｌを介して、左耳用のヘッドホンユニット１０Ｌが取り付けられ、他端側（図において右側）には、アーム４Ｒを介して、右耳用のヘッドホンユニット１０Ｒが取り付けられている。

ヘッドホンユニット１０Ｌは、略円筒形状のハウジング１６０と、当該ハウジング１６０に取り付けられたイヤーパッド１８２とを有する。また、ヘッドホンユニット１０Ｌの電気的な構成については、上述したイヤホン１０と同一であり、それぞれマイク１１０とスピーカー１４０とを備える。また、ハウジング１６０には、通気孔１６８が設けられ、ユーザーＷの耳に装用されたときに、外部と通気させる。
ヘッドホンユニット１０Ｒについては、ヘッドホンユニット１０Ｌとほぼ同様な構成となっている。
なお、ヘッドホンユニット１０Ｌにはステレオの左信号が、また、ヘッドホンユニット１０Ｒにはステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される。

ヘッドホン１を装用する場合、ユーザーＷは、ヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒを持ってヘッドバンド３の円弧を広げつつ、ヘッドホンユニット１０Ｌのイヤーパッド１８２を左耳に、ヘッドホンユニット１０Ｒのイヤーパッド１８２を右耳に、にそれぞれ被せる。ヘッドバンド３には、その弾力性によって、当該ヘッドバンド３の端部同士を近づけようとする復元力が発生する。このため、ヘッドバンド３の端部に位置するヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒは、装用時においてユーザーＷの頭部に側圧を与える。この側圧によって、ヘッドホン１は所定の位置で保持される。

ヘッドホン１がユーザーＷに装用された状態では、イヤーパッド１８２によって耳が遮蔽された状態となるので、音の伝達については、イヤホン１０とほぼ同様となる。
このため、ヘッドホン１によれば、ユーザーＷにステレオである目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができるとともに、周辺音について、非装用であるかのごとく、ユーザーＷに自然な感じで知覚させることができる。

＜付記＞
上述した実施形態等から、例えば以下のような態様が把握される。

＜態様１＞
本発明の好適な態様１に係る音響出力装置は、筐体に設けられ、ユーザーの周辺音を収音するマイクと、前記筐体に設けられ、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記マイクの収音に基づく収音信号に対して所定の周波数特性を付与するとともに、所定の周波数成分をカットする処理部と、目的音を示す目的音信号と、前記処理部による出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、前記筐体に設けられ、装用されたときにユーザーの外耳道を外部と連通させる通気孔と、を含む。
態様１に係る音響出力装置によれば、装用して、目的音とともに周辺音を聴く場合に、周辺音の聴取性が低下するのを抑えることができる。

＜態様２＞
本発明の好適な態様２に係る音響出力装置は、態様１に係る音響出力装置において、前記所定の周波数成分は、５００Ｈｚ以下の周波数成分である。態様２に係る音響出力装置によれば、会話音の聴取性を向上させることができる。

＜態様３＞
本発明の好適な態様３に係る音響出力装置は、態様１に係る音響出力装置において、前記マイクの収音に基づく収音信号に対して所定の処理を行い、前記スピーカーに向けて出力するまでの遅延量が０．５ミリ秒以下である。態様３に係る音響出力装置によれば、知覚される周辺音の特性にディップやリップルが発生するのを抑えることができる。

１…ヘッドホン、１０…イヤホン、１１０…マイク、１１６…イコライザー、１３０…加算器、１４０…スピーカー、１６０…ハウジング（筐体）、１６８…通気孔、２００…外部端末。

Claims

筐体に設けられ、ユーザーの周辺音を収音するマイクと、
前記筐体に設けられ、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、
前記マイクの収音に基づく収音信号に対して所定の周波数特性を付与するとともに、所定の周波数成分をカットする処理部と、
目的音を示す目的音信号と、前記処理部による出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、
前記筐体に設けられ、装用されたときにユーザーの外耳道を外部と連通させる通気孔と、
を含み、
前記通気孔からの外部音が減衰する周波数と、前記処理部において減衰する周波数が、前記周辺音の周波数特性をフラットとするためのクロスオーバー周波数である
音響出力装置。
前記所定の周波数成分は、５００Ｈｚ以下の周波数成分である
請求項１に記載の音響出力装置。
前記マイクの収音に基づく収音信号に対して所定の処理を行い、前記スピーカーに向けて出力するまでの遅延量が０．５ミリ秒以下である
請求項１に記載の音響出力装置。