JP7109993B2

JP7109993B2 - ヘッドホン

Info

Publication number: JP7109993B2
Application number: JP2018100658A
Authority: JP
Inventors: 宗平松山; 誠竹下; 浩一岡部; 学中村; 賢也戸丸; 賢一樹所; 教治吉川; 行志岩倉
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-08-01
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: JP2019205124A

Description

本明細書で開示される技術は、ヘッドホンに関する。

従来、騒音を低減することが可能なヘッドホンとして下記特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１には、ヘッドホンがマイクロホン及びスピーカユニットを備え、マイクロホンで検知した騒音に基づいてキャンセル信号を生成し、スピーカユニットからキャンセル信号に基づいた音を発生させることで、騒音を低減するものが記載されている。

特開２０１０－１０９７９９号公報

上記構成では、騒音以外の外部からの音（例えば会話音や警報音など）がヘッドホンによって遮蔽されてしまうため、ヘッドホンの使用者は、外部からの音を聞くことが難しく、その点において改善の余地があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、騒音を低減しつつ、外部からの音を聞くことが可能なヘッドホンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本明細書で開示される技術は、スピーカと、前記スピーカを収容すると共に耳を覆う筐体と、前記筐体に対して前記耳側に配される耳側マイクと、前記スピーカの駆動を制御する制御部と、を備え、前記筐体は、当該筐体の内部空間と当該筐体の外部空間とを連通する連通孔を有しており、前記制御部は、前記耳側マイクからの入力信号に基づいて、前記スピーカから音を発生させることで、前記耳側マイク付近の騒音を低減することが可能な構成であることに特徴を有する。

スピーカからの音によって騒音を低減することができる。そして、筐体は連通孔を有していることから、筐体の外部からの音を連通孔を通じて筐体の内部に伝達することができる。このため、ヘッドホンの装着者は、騒音（アクティブノイズキャンセルの対象となる周波数の音）以外の外部音については、ヘッドホンを装着した状態で聞くことができる。

また、前記筐体の外側に配される外側マイクと、前記外側マイクと前記スピーカの間に介在される壁部と、を備え、前記制御部は、リファレンスマイクである前記外側マイクで検出した騒音に基づいて、エラーマイクである前記耳側マイクからの入力信号が最小となるように、前記スピーカから音を発生させるものとすることができる。耳側マイクと比べて耳からより遠い位置の外側マイクをリファレンスマイクとするフィードフォワード制御は、耳側マイクに比べ騒音源により近い位置で騒音を参照して制御を行うことから、参照した騒音が耳に届くまでの時間を稼ぐことができ、応答性がより高いものとされる。高周波の音は、時間経過に伴う位相の変化が大きいことから、このような音を低減するためにはより高い応答性が求められる。このため、フィードフォワード制御を行うことで、より高い周波数の騒音を低減することができる。また、上記構成では筐体の連通孔を通してスピーカからの音が筐体外部に漏れる事態が想定される。しかしながら、外側マイクとスピーカの間には壁部が介在されているため、スピーカからの音が外側マイクに到達する事態を抑制できる。この結果、外側マイクではスピーカからの音の影響がより少ない状態で騒音を検知することができ、騒音をより確実に低減することができる。

また、前記筐体は、前記連通孔を有すると共に前記スピーカを前記耳と反対側から覆う底壁部と、前記底壁部の外周端部から前記耳側に立ち上がる周壁部と、を備え、前記外側マイクは、前記底壁部に対して前記耳と反対側から重なる形で配され、前記壁部は、前記外側マイクと前記底壁部の間に介在されているものとすることができる。外側マイクを周壁部に設ける場合と比べて、筐体の周方向における全周に亘って音を検知し易くなる。

本明細書で開示される技術によれば、騒音を低減しつつ、外部からの音を聞くことが可能なヘッドホンを提供することができる。

実施形態１に係る車両の車室内を示す模式図図１のヘッドホンのヘッドホン本体を示す断面図ヘッドホン本体を示す正面図ヘッドホン本体のブロック図制御部の変形例を示すブロック図実施形態２に係るヘッドホン本体を示す断面図実施形態３に係るヘッドホン本体のブロック図

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１から図５によって説明する。図１に示すように、本実施形態では、車両１０内で用いることが可能な車両用のヘッドホン２０について例示する。ヘッドホン２０は、左右一対のヘッドホン本体３０（図１では片側のヘッドホン本体のみを図示）と、ヘッドホン本体を連結するヘッドバンド２１と、を備える。ヘッドホン本体３０は、乗員の耳１１に装着される部分であり、図２に示すように、スピーカ３１と、スピーカ３１を収容すると共に耳を覆う筐体３２と、筐体３２に対して耳１１側に配されるエラーマイク３３（筐体に対して耳側に配される耳側マイク）と、イヤーパッド３５と、スピーカ３１の駆動を制御する制御部５０と、筐体３２の外側に配されるリファレンスマイク３６（外側マイク）と、リファレンスマイク３６とスピーカ３１の間に介在される壁部３７と、を備える。

筐体３２は、スピーカ３１を耳１１と反対側（図２では左側）から覆う底壁部３８と、底壁部３８の外周端部から耳１１側（図２では右側）に立ち上がる周壁部３９と、を備え、全体としては略円筒状をなしている。スピーカ３１（スピーカユニット）は例えば底壁部３８に対して固定されている。底壁部３８は、筐体３２の内部空間と筐体３２の外部空間とを連通する複数の連通孔４０を有している。なお、複数の連通孔４０を有する底壁部３８は、例えば、金属の薄板に対してパンチング加工を施すことで形成されているが、これに限定されない。イヤーパッド３５は、スポンジ等のクッション部材が合成皮革等の被覆部材で覆われることで構成されている。イヤーパッド３５は、円環状をなし、周壁部３９の先端部（耳側の端部）に取り付けられる。イヤーパッド３５は、耳１１側の端部において装着者の耳１１の周囲に当接する構成となっている。

リファレンスマイク３６は、底壁部３８に対して耳１１と反対側から重なる形で配されている。底壁部３８は、図３に示すように、例えば円形状をなしており、リファレンスマイク３６は、底壁部３８の中心と重なる形で配されている。つまり、リファレンスマイク３６は、筐体３２の中心軸Ｌ１と一致する箇所に配されている。また、本実施形態では、リファレンスマイク３６、スピーカ３１、エラーマイク３３が筐体３２の中心軸Ｌ１に沿って並ぶ形で配されている。また、耳１１から遠い側からリファレンスマイク３６、スピーカ３１、エラーマイク３３の順番で配されている。リファレンスマイク３６は、筐体３２に対して、保持部材４１及び壁部３７を介して保持されている。

保持部材４１は板状をなし、図３に示すように、リファレンスマイク３６から放射状に延びる３つの延設部４３を有する。各延設部４３の延設端部は、図２に示すように、底壁部３８の周端部と連結されている。保持部材４１の中心部は、底壁部３８の中心部に対して間隔を空けて配されている。これにより、スピーカ３１の振動がリファレンスマイク３６に伝わり難い構成となっている。保持部材４１には、底壁部３８と同様に複数の連通孔４２が形成されている。壁部３７は、例えば、耳１１側に向かって先細りする略円錐状をなしており、リファレンスマイク３６をスピーカ３１側から覆う構成となっている。つまり、壁部３７は、リファレンスマイク３６と底壁部３８の間に介在されている。

次に制御部５０の構成について説明する。制御部５０は、エラーマイク３３、リファレンスマイク３６、スピーカ３１とそれぞれ電気的に接続されている。制御部５０は、エラーマイク３３、リファレンスマイク３６、スピーカ３１と共にフィードフォワード型のアクティブノイズキャンセル装置を構成する。制御部５０は例えばＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって主に構成されている。制御部５０は、リファレンスマイク３６及びエラーマイク３３からの入力信号に基づいて、スピーカ３１から音を発生させることで、エラーマイク３３付近（筐体３２内部）の騒音を低減することが可能な構成となっている。具体的には、制御部５０は、リファレンスマイク３６で検出した騒音に基づいて、エラーマイク３３からの入力信号（エラー信号）が最小となるように、スピーカ３１から音（疑似騒音）を発生させる。なお、制御部５０は、例えば筐体３２に内蔵されていてもよいし、筐体３２の外部に設けられていてもよい。

制御部５０は、図４に示すように、二次経路モデル５１と、疑似騒音の信号（疑似騒音信号）を生成する騒音制御フィルタ５３と、エラー信号が最小となるように騒音制御フィルタ５３のフィルタ係数を更新する係数更新部５２と、を備える。二次経路モデル５１は、二次経路（スピーカ３１からエラーマイク３３までの音の伝達経路）の音響伝達特性を模擬したデジタルフィルタであり、係数更新部５２が二次経路で生じる音の変化分を除外した上で係数更新処理を行うためのものである。

リファレンスマイク３６により、騒音が収集され、リファレンス信号ｒ（ｎ）として入力されると、リファレンス信号ｒ（ｎ）は、二次経路モデル５１及び騒音制御フィルタ５３に入力される。二次経路モデル５１では、リファレンス信号ｒ（ｎ）がフィルタリングされて、フィルタードリファレンス信号ｘ（ｎ）が生成され、係数更新部５２へ出力される。係数更新部５２では、フィルタードリファレンス信号ｘ（ｎ）及びエラー信号ｅ（ｎ）に基づいて、エラー信号ｅ（ｎ）が最も小さくなるように騒音制御フィルタ５３で用いられる係数を更新する。係数更新部５２では、例えば、ＬＭＳ（ｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いて係数の更新が行われる。

騒音制御フィルタ５３では、係数更新部５２によって更新された係数を用いてリファレンス信号ｒ（ｎ）がフィルタリングされることで、疑似騒音信号ｕ（ｎ）が生成され、その疑似騒音信号ｕ（ｎ）はスピーカ３１に出力される。これにより、スピーカ３１からは、疑似騒音信号ｕ（ｎ）に基づいた疑似騒音が出力される。この疑似騒音は二次経路通過後、エラーマイク３３付近の騒音と逆位相の音となる。エラーマイク３３では、騒音と疑似騒音とが重なり合った音（疑似騒音によって打ち消しきれなかった音に相当）が検知され、エラー信号ｅ（ｎ）として入力され、エラー信号ｅ（ｎ）は係数更新部５２へ入力される。上記の処理を繰り返すことにより、スピーカ３１からは最適な疑似騒音が生成され、騒音が打ち消される。なお、騒音制御フィルタ５３としては例えばＦＩＲフィルタを用いることができる。

次に本実施形態の効果について説明する。本実施形態では、スピーカ３１からの音によって騒音を低減することができる。そして、筐体３２は連通孔４０を有していることから、筐体３２の外部からの音を連通孔４０を通じて筐体３２の内部に伝達することができる。このため、ヘッドホン２０の装着者は、騒音（アクティブノイズキャンセルの対象となる周波数の音）以外の外部音については、ヘッドホン２０を装着した状態で聞くことができる。

なお、本実施形態で例示したフィードフォワード型のアクティブノイズキャンセル装置（能動騒音抑制装置）では、少なくとも５００Ｈｚ以下の騒音を低減できることが見込まれる。このため、車両走行時のロードノイズ（５００Ｈｚ以下）を低減することができる。また、音声の子音成分は一般的に１０００Ｈｚ以上であり、救急車のサイレンは９６０Ｈｚ及び７７０Ｈｚ、踏切の警報音は５２３Ｈｚ及び６５９Ｈｚであるため、これらの外部音については、低減され難く、ヘッドホン２０を装着した状態で聞くことができる。なお、ヘッドホン２０によって低減可能な騒音の周波数は５００Ｈｚ以下に限定されずヘッドホン２０の構成や制御方式によって設定される。

また、図５の変形例に示すように、制御部５０がリファレンス信号ｒ（ｎ）の周波数帯域を制限する帯域制限フィルタ６１、及びエラー信号ｅ（ｎ）の周波数帯域を制限する帯域制限フィルタ６２を備えていてもよく、アクティブノイズキャンセルの対象となる音の周波数を設定可能な構成としてもよい。これにより、ヘッドホン２０の装着者が可聴したい周波数の音については低減させないようにすることが可能となる。

また、本実施形態では、筐体３２の外側に配されるリファレンスマイク３６と、リファレンスマイク３６とスピーカ３１の間に介在される壁部３７と、を備え、制御部５０は、リファレンスマイク３６で検出した騒音に基づいて、エラーマイク３３からの入力信号が最小となるように、スピーカ３１から音を発生させる。エラーマイク３３と比べて耳からより遠い位置のリファレンスマイク３６を用いるフィードフォワード制御は、エラーマイク３３に比べ騒音源により近い位置で騒音を参照して制御を行うことから、参照した騒音が耳に届くまでの時間を稼ぐことができ、応答性がより高いものとされる。高周波の音は、時間経過に伴う位相の変化が大きいことから、このような音を低減するためにはより高い応答性が求められる。このため、フィードフォワード制御を行うことで、より高い周波数の騒音を低減することができる。また、上記構成では、筐体３２の連通孔４０を通して、スピーカ３１からの音が筐体３２外部に漏れる事態が想定される。しかしながら、リファレンスマイク３６とスピーカ３１の間には壁部３７が介在されているため、スピーカ３１からの音がリファレンスマイク３６に到達する事態を抑制できる。この結果、リファレンスマイク３６ではスピーカ３１からの音の影響がより少ない状態で騒音を検知することができ、騒音をより確実に低減することができる。

また、筐体３２は、連通孔４０を有すると共にスピーカ３１を耳１１と反対側から覆う底壁部３８と、底壁部３８の外周端部から耳１１側に立ち上がる周壁部３９と、を備え、リファレンスマイク３６は、底壁部３８に対して耳１１と反対側から重なる形で配され、壁部３７は、リファレンスマイク３６と底壁部３８の間に介在されている。リファレンスマイク３６を周壁部３９に設ける場合と比べて、筐体３２の周方向における全周に亘って音を検知し易くなる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図６によって説明する。上記実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態のヘッドホン本体２３０においては、図６に示すように、リファレンスマイク３６が筐体３２の周壁部３９に設けられている点が上記実施形態と異なる。本実施形態では、リファレンスマイク３６とスピーカ３１の間に周壁部３９（壁部の一例）が介在されているため、スピーカ３１からの音がリファレンスマイク３６に到達する事態を抑制できる。この結果、リファレンスマイク３６によって騒音のみを確実に検知することができ、騒音をより確実に低減することができる。

＜実施形態３＞
次に、本発明の実施形態３を図７によって説明する。上記実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態のヘッドホン本体３３０では、リファレンスマイク３６を備えておらず、制御部の構成が上記実施形態と異なる。本実施形態の制御部３５０は、エラーマイク３３、スピーカ３１と共にフィードバック型のアクティブノイズキャンセル装置を構成する。本実施形態の制御部３５０は、図７に示すように、二次経路モデル５１と、騒音制御フィルタ５３と、係数更新部５２と、二次経路の音響伝達特性を模擬したデジタルフィルタである二次経路モデル２５４と、エラー信号ｅ（ｎ）とフィルタード疑似騒音信号ｚ（ｎ）とを合成する合成部２５５と、を備える。二次経路モデル２５４では、疑似騒音信号ｕ（ｎ）がフィルタリングされてフィルタード疑似騒音信号ｚ（ｎ）が生成される。フィルタード疑似騒音信号ｚ（ｎ）は、二次経路を経たスピーカ３１からの疑似騒音（エラーマイク３３付近での疑似騒音）に相当する信号である。

エラーマイク３３により、騒音が収集され、エラー信号ｅ（ｎ）として入力されると、エラー信号ｅ（ｎ）は、係数更新部５２及び合成部２５５に入力される。合成部２５５では、エラー信号ｅ（ｎ）は、フィルタード疑似騒音信号ｚ（ｎ）と加算されて、再現騒音信号ｄ（ｎ）として、二次経路モデル５１及び騒音制御フィルタ５３に入力される。二次経路モデル５１では、再現騒音信号ｄ（ｎ）が二次経路で生じる音の変化分を除外するようにフィルタリングされて、フィルタード再現騒音信号ｘ（ｎ）が生成され、係数更新部５２へ出力される。係数更新部５２では、フィルタード再現騒音信号ｘ（ｎ）及びエラー信号ｅ（ｎ）に基づいて、エラー信号ｅ（ｎ）が最も小さくなるように騒音制御フィルタ５３で用いられる係数を更新する。騒音制御フィルタ５３では、再現騒音信号ｄ（ｎ）が係数更新部５２によって更新された係数を用いてフィルタリングされることで、疑似騒音信号ｕ（ｎ）が生成され、その疑似騒音信号ｕ（ｎ）はスピーカ３１に出力される。これにより、スピーカ３１からは、疑似騒音信号ｕ（ｎ）に基づいた疑似騒音が出力される。この疑似騒音は二次経路通過後、エラーマイク３３位置での騒音と逆位相の音となる。エラーマイク３３では、騒音と疑似騒音とが重なり合った音が検知され、エラー信号ｅ（ｎ）として入力され、エラー信号ｅ（ｎ）は係数更新部５２へ入力される。上記の処理を繰り返すことにより、スピーカ３１からは最適な疑似騒音が生成され、騒音が打ち消される。

なお、係数更新部５２では、例えば、ＬＭＳ（ｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いて係数の更新が行われる。このように本実施形態では、リファレンスマイク３６を用いることなく、騒音を低減することができる。なお、本実施形態において、エラー信号ｅ（ｎ）に対して特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を行う帯域制限フィルタ６２（図５参照）を備えていてもよい。なお、本願発明者によれば、本実施形態で例示したフィードバック型のアクティブノイズキャンセル装置では、少なくとも３００Ｈｚ以下の騒音を低減できることが確認されている。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記各実施形態では、車両用のヘッドホンを例示したが、車両用に限定されない。
（２）上記実施形態１において、筐体の周壁部３９に連通孔があってもよい。
（３）上記実施形態において制御部５０による制御（リファレンスマイク及びエラーマイクを用いた制御）と制御部３５０による制御（エラーマイクを用いた制御）とを適宜変更可能な構成としてもよい。
（４）アクティブノイズキャンセルを実現するための手法は上記実施形態で例示したものに限定されない。例えば、二次経路モデルを必要としない手法（例えば連立方程式法や同時摂動法等）を挙げることができる。

２０…ヘッドホン、３１…スピーカ、３２…筐体、３３…エラーマイク（筐体に対して耳側に配される耳側マイク）、３６…リファレンスマイク（筐体の外側に配される外側マイク）、３７…壁部、３８…底壁部、３９…周壁部（外側マイクとスピーカの間に介在される壁部）、４０…連通孔、５０，３５０…制御部

Claims

スピーカと、前記スピーカを収容すると共に耳を覆う筐体と、前記筐体に対して前記耳側に配される耳側マイクと、前記スピーカの駆動を制御する制御部と、前記筐体の外側に配される外側マイクと、前記外側マイクと前記スピーカの間に介在される壁部と、を備え、
前記筐体は、当該筐体の内部空間と当該筐体の外部空間とを連通する連通孔を有しており、
前記制御部は、前記耳側マイクからの入力信号に基づいて、前記スピーカから音を発生させることで、前記耳側マイク付近の騒音を低減することが可能な構成であるとともに、リファレンスマイクである前記外側マイクで検出した騒音に基づいて、エラーマイクである前記耳側マイクからの入力信号が最小となるように、前記スピーカから音を発生させる構成であり、
前記筐体は、前記連通孔を有すると共に前記スピーカを前記耳と反対側から覆う底壁部と、前記底壁部の外周端部から前記耳側に立ち上がる周壁部と、を備え、
前記外側マイクは、前記底壁部に対して前記耳と反対側から重なる形で配され、
前記壁部は、前記外側マイクと前記底壁部の間に介在されているヘッドホン。