JP7071048B2 - ヘッドホンにおける能動ノイズ低減 - Google Patents

Description

本発明は、能動ノイズコントロール（ＡＮＣ）ヘッドホン及びＡＮＣヘッドホンを動作させる方法に関する。

ヘッドホンはまた、能動ノイズキャンセル（ＡＮＣ）としても知られている能動ノイズ低減を備えることができる。一般に、ノイズ低減は、フィードバック雑音低減またはフィードフォワード雑音低減、或いはそれらの組合せとして分類することができる。フィードバックノイズ低減システムにおいて、マイクロフォンは、リスナーの耳に雑音源から延びる音響経路に配置される。スピーカは、マイクロフォンと雑音源との間に配置される。ノイズ源からのノイズとスピーカから発せられたアンチノイズがマイクロフォンによって収集され、その残留ノイズに基づいて、アンチノイズは、ノイズ源からのノイズを低減するように制御される。フィードフォワード雑音低減システムでは、マイクロフォンは、ノイズ源とスピーカとの間に配置される。ノイズがマイクロフォンによって収集され、位相が反転されて、外部ノイズを低減するようにスピーカから発せられる。複合フィードフォワード／フィードバック（ハイブリッド）ノイズ低減システムにおいては、第１のマイクロフォンは、スピーカとリスナーの耳との間の音響経路に配置される。第２のマイクロフォンは、ノイズ源とスピーカの間の音響経路内に配置され、騒音源からの雑音を収集する。第２のマイクロフォンの出力は、ノイズ源からのノイズがリスナーの耳に到達する音響経路の伝送特性と同様に第１のマイクロフォンからスピーカへの音響経路の伝送特性を生成するために使用される。スピーカは、第１のマイクロフォンと雑音源との間に配置される。第１のマイクロフォンによって収集された雑音は位相が反転され、外部からのノイズを低減するためにスピーカから発せられる。多数方向からの多数のノイズ源によって発せられるノイズを低減するために、既知のヘッドホンの性能を向上させることが望まれている。

能動ノイズ低減ヘッドホンは、内表面及び外表面を有する剛性カップ状シェルを備え、内表面は開口部を呈するキャビティを包囲している。ヘッドホンはさらに、外表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３つの位置で音をピックアップし、ピックアップされた音声を再現する第１の電気信号を提供するように構成されたマイクロフォンの配置と、第１の電気信号に基づき第２の電気信号を提供するように構成された能動ノイズ制御フィルタを備えている。加えて、ヘッドホンは、キャビティの開口部に配置され第２の電気信号から音を生成するように設定されたスピーカを備えている。能動ノイズ制御フィルタは、前記外表面を越えたところから前記内表面を越えてシェルを通って伝達する雑音が、スピーカによって生成される音声によって低減されるように設定された伝達特性を有している。

能動ノイズ低減方法は、開口を呈したキャビティを包囲する凸面と凹面を有する剛性カップ状のシェルを備えたヘッドホンのために開示されている。方法は、凸状の表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３つの位置で音をピックアップし、ピックアップされた音声を表す第１の電気信号を提供することを含む。さらに方法は、第２の電気信号を提供するために、第１の電気信号をフィルタリングし、キャビティの開口部で第２の電気信号からの音声を生成することを含む。フィルタリングは、凸面の外表面を越えたところから凹面の内表面を越えてシェルを通って伝達する雑音が、開口部に発生する音声によって低減されるように設定された伝達特性を用いて行われる。

他のシステム、方法、特徴及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を検討することにより当業者には明らかとなる、或いは明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴及び利点はすべて、本明細書に含まれ、本発明の範囲内であり、そして添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
能動ノイズ低減ヘッドホンであって、
内表面及び外表面を有する剛性カップ状シェルを備え、上記内表面は開口部を呈するキャビティを包囲しており、さらに、
上記外表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３つの位置で音声をピックアップし、ピックアップされた音声を再現する第１の電気信号を提供するように構成されたマイクロフォンの配置と、
上記第１の電気信号に基づき第２の電気信号を提供するように構成された能動ノイズ制御フィルタと、
上記キャビティの開口部に配置され上記第２の電気信号から音声を生成するように設定されたスピーカとを備え、
上記能動ノイズ制御フィルタは、上記外表面を越えたところから上記内表面を越えてシェルを通って伝達するノイズが、スピーカによって生成される音声によって低減されるように設定された伝達特性を有しているヘッドホン。
（項目２）
上記マイクロフォンの配置は、上記外表面の表面積における５０％以上の音声を拾うように構成されている面積式マイクロフォンから成る、上記項目に記載のヘッドホン。
（項目３）
上記マイクロフォンの配置は、上記外表面の表面積における９０％以上の音声を拾うように構成されている面積式マイクロフォンから成る、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目４）
上記面積式マイクロフォンが音圧感応膜を含む、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目５）
上記音圧感応膜が電気機械フィルムから作製されている、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目６）
上記マイクロフォンの配置は、上記外表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３箇所に配置された少なくとも３つの個別のマイクロフォンを含む、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目７）
上記少なくとも３つの個別のマイクロフォンは、上記第１の電気信号を形成するために、上記少なくとも３つの個別のマイクロフォンからの電気出力信号を結合するように構成された信号結合モジュールの上流側に接続されている、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目８）
上記信号結合モジュールは、上記第１の電気信号を形成するために、上記少なくとも３つの個別のマイクロフォンからの電気出力信号を集計する加算器から成る、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目９）
上記少なくとも３つの個別のマイクロフォンは無指向性マイクロフォンである、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目１０）
上記能動ノイズ制御フィルタは、フィードフォワード能動ノイズ制御経路に接続されている、上記項目のいずれか一項に記載のヘッドホン。
（項目１１）
内表面と外表面を有する剛性カップ状シェルを備えるヘッドホンのための能動ノイズ低減方法であって、上記内表面は開口部を呈するキャビティを包囲するものにおいて、上記方法は、
上記外表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３箇所で音声を拾い、
収音音声を再現する第１の電気信号を提供し、
第２の電気信号を提供するために、上記第１の電気信号をフィルタリングし、
キャビティの開口部に上記第２の電気信号からの音声を生成することから成り、
フィルタリングは、上記外表面を越えたところから上記内表面を越えてシェルを通って伝達する雑音が、上記開口部で生成される音声によって低減されるように設定された伝達特性を用いて実行される上記方法。
（項目１２）
上記音声が上記外表面における表面積の５０％以上に亘って拾われる、上記項目に記載の方法。
（項目１３）
上記音声が上記外表面における表面積の９０％以上に亘って拾われる、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１４）
上記音声は、上記外表面上に一定の間隔で分散された上記少なくとも３箇所に配置された少なくとも３個の個別のマイクロフォンによって拾われる、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（項目１５）
上記第１の電気信号が上記音声を再現する個々の電気信号の和である、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（摘要）
実施形態は、開口部を呈するキャビティを包囲している内表面と外表面を有する剛性カップ状のシェルを備えたヘッドホンのための能動ノイズ低減システム及び方法に関して開示されている。システム及び方法は、外表面上に一定の間隔で分散された少なくとも３箇所で音声を拾い、収音音声を再現する第１の電気信号を提供する。システム及び方法はさらに、第２の電気信号を提供するために、前記第１の電気信号をフィルタリングし、キャビティの開口部に第２の電気信号からの音声を生成することから成る。フィルタリングは、外表面を越えたところから内表面を越えてシェルを通って伝達するノイズが、開口部で生成される音声によって低減されるように設定された伝達特性を用いて実行される。

本発明は、添付図面を参照しながらなされる非限定的な実施形態の以下の説明からより良く理解することができる。
例示的なフィードバック型能動ノイズコントロール（ＡＮＣ）イヤホンの簡略化した図である。 例示的なフィードフォワード型ＡＮＣイヤホンの簡略化した図である。 例示的なハイブリッド型ＡＮＣイヤホンの簡略化した図である。 従来の単一小型（基準）マイクロフォンを有する例示的なイヤホンの簡略化した図である。 面積式（基準）マイクロフォンを有する例示的なイヤホンの簡略化した図である。 面積式マイクロフォンに近似する（基準）マイクロフォンアレイを備えた例示的なイヤホンの簡略化した図である。 図６に示したマイクロフォンアレイの下流に接続された回路の簡略化した回路図である。 イヤホンのシェル上に一定の間隔で配置されたマイクロフォンの典型的な配列の簡略化した図である。 マイクロフォンアレイと樽状の形状を有するシェルとを備える別の例示的なイヤホンの簡略化した図である。

図１は、例示的なフィードバックタイプの能動ノイズコントロール（ＡＮＣ）イヤホン１００（ 例えば、２つのイヤホンを備えるヘッドホンの一部として）の簡略化した図である。トンネル１０１で示される音響経路（チャンネルとも呼ばれる）は外耳道によって確立され、イヤホン１００の一部であって、外耳道ノイズ、すなわち主ノイズ１０２はノイズ源１０３から第１の端部１０９に導入される。主ノイズ１０２の音波はトンネル１０１を通り、トンネル１０１の第２の端部１１０へ伝わり、イヤホン１００がリスナーの頭部に装着されたときに、ここから音波が例えばリスナーの耳１０４の鼓膜に放射される。トンネル１０１内の主ノイズ１０２を低減するかキャンセルするためには、例えばスピーカ１０５のような音声放射トランスデューサがトンネル１０１に相殺音１０６を導入する。相殺音１０６は、主ノイズ１０２に対応するか或いは同じ振幅を有するが、逆位相の振幅である。トンネル１０１に入る主ノイズ１０２はエラーマイクロフォン１０７によって収集され、キャンセル信号を生成するためにフィードバックＡＮＣ処理モジュール１０８によって処理され、次に主ノイズ１０２を低減するためにスピーカ１０５によって発せられる。エラーマイクロフォン１０７はスピーカ１０５の下流に配置され、スピーカ１０５よりもトンネル１０１の第２の端部１１０により近く、すなわちリスナーの耳１０４、特にその鼓膜により近くに配置されることになる。

図２は、例示的なフィードフォワード方式のＡＮＣイヤホン２００の簡略化した図である。図１に示したイヤホン１００におけるマイクロフォン１０７のように、スピーカ１０５とトンネル１０１の第２の端部１１０との間に配置される代わりに、マイクロフォン２０１がトンネル１０１の第１の端部１０９とスピーカ１０５との間に配置されている点で、イヤホン２００は図１に示したイヤホン１００とは異なる。さらに、フィードバックＡＮＣ処理モジュール１０８の代わりに、フィードフォワードＡＮＣ処理モジュール２０２がマイクロフォン、すなわちマイクロフォン２０１とスピーカ１０５に接続されている。図示したフィードフォワードＡＮＣ処理モジュール２０２は、例えば非適応型フィルタ、すなわち固定された伝達関数を有するフィルタであってもよく、しかし、スピーカ１０５とトンネル１０１の第２の端部１１０との間に配置されてフィードフォワードＡＮＣ処理モジュール２０２（の伝達関数）を制御する追加のエラーマイクロフォン２０３と関連して代替的に適応することができる。

図３は、例示的なハイブリッド型ＡＮＣイヤホン３００の簡略化した図である。図１及び図２に関連して上述したヘッドホン１００と２００に基づいて、（基準）マイクロフォン２０１は主ノイズ１０２を検出し、その出力は、主ノイズ１０２がトンネル１０１の第２の端部１１０に到達する経路の伝送特性に一致するように、スピーカ１０５から（エラー）マイクロフォン１０７への音響経路の伝送特性をモデル化するために使用される。主ノイズ１０２及びスピーカ１０５から発せられる音声は（エラー）マイクロフォン１０７によって検知され、スピーカ１０５からエラーマイクロフォン１０７への信号経路の適合（例えば、推定される）伝送特性を用いて位相が反転され、次に２つのマイクロフォン２０１と１０７との間に配置されたスピーカ１０５から発せられるが、これによってリスナーの耳１０４における望ましくないノイズを低減する。信号反転、伝送経路モデル（推定される）、場合によっては適応は、ハイブリッドＡＮＣ処理モジュール３０１によって実行される。例えば、ハイブリッドＡＮＣ処理モジュール３０１には、マイクロフォン２０１からの信号を処理するために図２に示したフィードフォワードＡＮＣ処理モジュール２０２と同様のフィードフォワード処理モジュール、及びマイクロフォン１０７からの信号を処理するために図１に示したフィードバックＡＮＣ処理モジュール１０８と同様のフィードバック処理モジュールが備えられていてもよい。

図４に示す例示的なイヤホン４００（２つのイヤホンを備えるフィードフォワードＡＮＣヘッドホンの一部）では、剛性カップ状のシェル４０１は、開口部４０５を呈するキャビティ４０４を包囲する例えば凸面４０２のインナと、凹面４０３のアウターを有している。スピーカ４０６のように電気信号を音声に変換する電気音響変換器がキャビティ４０４の開口部４０５内に配置され、能動ノイズ制御フィルタ４０７によって提供される電気信号から音声を生成する。能動ノイズ制御（ＡＮＣ）フィルタ４０７には、一般的に単一の（基準）マイクロフォン４０８からだけの電気信号が供給され、シェル４０１の凸面４０２上の一箇所だけで音を拾う。ＡＮＣフィルタ４０７は、例えばフィードフォワード型またはハイブリッド型能動ノイズ制御を提供するように構成されていてもよい。たとえマイクロフォン４０８が無指向特性を有している場合でも、ノイズ源４０９によって放たれた音声のシェア４１０はマイクロフォン４０８によって拾うことができるが、一方で別のシェア４１１は拾われない。しかし、双方のシェア４１０及び４１１は、ヘッドホンを着用しているリスナー（図示せず）の耳に到達することができ、マイクロフォン４０８によって拾われた音声、従って収音に対応した電気信号はリスナーの耳に到達する音声と同等のものではない、或いは完全に同等のものではない。マイクロフォン信号がリスナーによって知覚される音声にどれほど対応しているかは、ノイズ源４０９の位置及びノイズ源４０９の指向性に依存している。結果として、ヘッドホンのノイズ低減性能は、とりわけマイクロフォン４０８の位置とノイズ源４０９の指向性に関連したノイズ源４０９の位置に左右される。

図４に示したイヤホン４００に基づいて、図５に示す例示的なイヤホン５００では、マイクロフォン４０８は面積式マイクロフォン５０１（すなわち、拡張された膜面積を有するマイクロフォン）で置換されているが、これは凸面４０１の面積の５０％以上、例えば７５％以上、９０％以上、または１００％までをカバーすることができる。面積式マイクロフォン５０１は、例えば気泡構造を有するエレクトレット材料である電気機械フィルム（ＥＭＦｉ）のような任意の感圧または力感応フィルムで製造することができる。他の固体高分子エレクトレットを上回るＥＭＦｉの利点は、強力な永久電荷と結合した空洞内部構造に起因する柔軟性に基づいており、これによってＥＭＦｉは、その表面に垂直に加わる動的な力に対して著しく感応するものとなる。母材は、低価格のポリプロピレン（ＰＰ）であってもよい。

ＥＭＦｉは空隙によって分離された、いくつかのポリプロピレン層から成っていてもよい。フィルムの表面に加わる外力は、空隙の厚さを変化させる。その後、ポリプロピレン／空隙界面に存在する電荷は相互に移動し、その結果、ミラー電荷が電極に発生する。発生した電荷は膜厚の変化に比例する。材料に弾性があるので、発生した電荷は膜に作用する力（または圧力）にも比例する。基本的なボイド形成ＰＰフィルムは、特別に作製されたポリマーを二軸配向することによって連続プロセスで製造され、これが気泡構造を形成する。ＥＭＦｉのより詳細な説明は、例えば米国特許第４，６５４，５４６号、或いはＪｕｋｋａ Ｌｅｋｋａｌａ及びＭｉｋａ Ｐａａｊａｎｅｎ著「ＥＭＦｉ－センサとアクチュエータのための新しいエレクトレット材料」、１９９９年第１０回エレクレットについての国際シンポジウムを参照されたい。製造プロセスの間に、ＥＭＦｉはコロナ放電装置によって充電される。最後に、フィルムは導電性の電極層で被覆され、ＥＭＦｉ構造が完成される。フィルムは３つの層を有しており、そのうちの数ミクロンの厚さの表面層は滑らかで均質であるのに対し、主要な厚い中間部分は葉のようなＰＰ－層によって分離された平らな空隙に満ちている。

代替的に、面積式マイクロフォンは、これよりも大幅に小さい膜面積をそれぞれが有する多数のマイクロフォン６０１によって近似させることができる。マイクロフォン６０１はマイクロフォンアレイを形成し、凸状の表面４０２上に一定の間隔で分散されるが、半球体における任意の立体角のためにマイクロフォン６０１の少なくとも一方が任意の位置で指向性雑音源から直接ノイズを受信するように、マイクロフォン６０１の指向性はこれらが重なるようなものであってもよい。

例えば、マイクロフォン６０２は無指向性の特性を有していてもよく、これらの出力信号は、図５に関連して上述した面積式マイクロフォン５０１の出力信号を代用することができる出力信号を提供するために、加算器７０１によって図７に示すように集計することができる。マイクロフォン出力信号の集計により、マイクロフォン６０２のアレイは面積式マイクロフォンと同様な指向挙動を示し、このことはゼロ番目の部屋モードを音響的にキャプチャするセンサとして見ることができることを意味する。さらに、マイクロフォン出力信号の集計によって、マイクロフォンによって生成されるノイズは１０ｌｏｇ_１０（Ｎ）［ｄＢ］だけ減少することになるが、Ｎは用いられるマイクロフォンの数である。その上で、小さな膜のマイクロフォン６０２のノイズ挙動は、一般的に面積式マイクロフォン５０１のノイズ挙動よりも既にそれ自体が優れている。

図８は、マイクロフォン６０２のアレイを示す正面図であり、これの側面図は図６に示されている。図から認められるように、マイクロフォンは凸面４０２に亘って一定の間隔で分散されており、このことはマイクロフォン６０２がいくつかの確立されたルール、法律、原則、またはタイプに従って形成され、構築され、配置され、或いは注文され得ることを意味している。特に、マイクロフォン６０２は、正多角形（二次元配列）のような正三角形及び等角の両方に配置してもよいし、全ての多面体角度が正多面体（３次元配列）として合同である合同正多角形である面を有していてもよい。例えば、正三角形の角に配置することができる３つのマイクロフォン６０２を使用してもよい。その他の構成は、正方形の角に配置された４個のマイクロフォンから成るものであってもよい。規則的に分散された３つまたは４つの、或いはそれ以上のマイクロフォンの配列の多様性は、より複雑な構成を形成するように組み合わせることも可能である。例えば、図８は１３個のマイクロフォン６０２の菱形配置を示している。

シェルは、図４～６に示すヘッドホンのように、例えば皿状または図９に示すように樽状など様々な形状（シェル９０１）を有していてもよく、ここではマイクロフォン６０２は樽状部分の底壁９０２上だけでなく側壁９０３上にも配置される。例えばフィードフォワードＡＮＣまたはハイブリッドＡＮＣ処理モジュールに関連して、ＡＮＣフィルタ４０７は従来型のものであってもよい。その基本的な適応及び非適応構造は、例えば、Ｓｅｎ Ｍ．Ｋｕｏ及びＤｅｎｎｉｓ Ｒ．Ｍｏｒｇａｎ著「アクティブノイズコントロール：チュートリアルレビュー」、１９９９年６月、ＩＥＥＥの議事録、第６号、第８７巻に記載されている。

実施形態の説明は、例示及び説明の目的でなされてきた。実施形態に対する適切な修正及び変形は、上記の説明に照らして行うことができ、或いは方法を実施することで習得することができる。例えば、特に断りのない限り、記載された方法の１つまたはそれ以上が、適切な装置及び／または装置の組合せによって実行することができる。記載された方法及び関連する操作は、本出願で説明した順序に加えて、並行に、及び／または同時に、など様々な順序で行うことができる。記載されたシステムは、本質的に例示であり、追加の構成要素を含み、及び／または構成要素を省略してもよい。本発明の主題は、様々なシステム及び構成のすべての新規かつ非自明な組み合わせ及び部分的組み合わせ、並びに開示された他の特徴、機能、及び／または特性を含む。

本出願で使用されるように、「ａ」または「ａｎ」で始まる単語によって単数形で記載された構成要素またはステップは、そのような除外が明記されない限り、前述の構成要素またはステップの複数を除外しないと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」または「一実施例」への言及は、記載した特徴を組み込んだ付加的な実施形態の存在を排除すると解釈されることを意図するものではない。用語「第１」、「第２」及び「第３」などは、単にラベルとして使用され、それらオブジェクト上の数値要件または特定な位置順序を課すことを意図するものではない。

Claims (7)

1. 能動ノイズ低減ヘッドホンであって、
   内表面及び外表面を有する剛性カップ状シェルであって、前記内表面は、開口部を呈するキャビティを包囲している、剛性カップ状シェルと、
   前記外表面の表面積の５０％以上に亘って音声をピックアップし、前記ピックアップされた音声を再現する第１の電気信号を提供するように構成された面積式マイクロフォンを含むマイクロフォンの配置と、
   前記第１の電気信号に基づき第２の電気信号を提供するように構成された能動ノイズ制御フィルタと、
   前記キャビティの前記開口部に配置され前記第２の電気信号から音声を生成するように設定されたスピーカと
   を備え、
   前記能動ノイズ制御フィルタは、前記外表面を越えたところから前記内表面を越えて前記シェルを通って伝達するノイズが、前記スピーカによって生成される前記音声によって低減されるように設定された伝達特性を有している、ヘッドホン。
2. 前記面積式マイクロフォンは、前記外表面の表面積の９０％以上に亘って音声をピックアップするように構成されている、請求項１に記載のヘッドホン。
3. 前記面積式マイクロフォンが音圧感応膜を含む、請求項１または２に記載のヘッドホン。
4. 前記音圧感応膜が電気機械フィルムから作製されている、請求項３に記載のヘッドホン。
5. 前記能動ノイズ制御フィルタは、フィードフォワード能動ノイズ制御経路に接続されている、請求項１～４のいずれかに記載のヘッドホン。
6. 内表面及び外表面を有する剛性カップ状シェルを備えるヘッドホンのための能動ノイズ低減方法であって、前記内表面は、開口部を呈するキャビティを包囲し、前記方法は、
   前記外表面の表面積の５０％以上に亘って音声をピックアップするように構成されている面積式マイクロフォンを用いて音声をピックアップし、前記ピックアップされた音声を再現する第１の電気信号を提供することと、
   前記第１の電気信号をフィルタリングすることにより、第２の電気信号を提供することと、
   前記キャビティの前記開口部において前記第２の電気信号から音声を生成することと
   を含み、
   フィルタリングは、前記外表面を越えたところから前記内表面を越えて前記シェルを通って伝達するノイズが、前記開口部において生成される前記音声によって低減されるように設定された伝達特性を用いて実行される、方法。
7. 前記音声が前記外表面の表面積の９０％以上に亘ってピックアップされる、請求項６に記載の方法。

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