JP7168193B2 - ヘッドホン - Google Patents

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Description

本発明は、ノイズキャンセル機能を有するヘッドホンに関する。
従来、外部のノイズを打ち消すためのノイズキャンセル機能を有するヘッドホンが知られている。特許文献１には、ヘッドホンのハウジングとユーザの耳との間の前気室に設けられたマイクロホンによって外部からのノイズを集音し、集音したノイズを打ち消すノイズキャンセル信号によりドライバユニットを駆動することで、ノイズを低減する技術が開示されている。
特開２０１２－２３６３７号公報
ヘッドホンがフィードバック方式のノイズキャンセル機能を有することにより外来ノイズが低減するが、イヤーカップ内での音の反射、並びにマイクロホン及びドライバユニットの特性の影響等によりノイズが残っていた。また、ドライバユニットから放出されるノイズキャンセル音もマイクロホンで集音されてしまうので、ノイズキャンセル信号に、外部からのノイズを打ち消す成分以外の成分が含まれていた。その結果、ノイズキャンセル機能によるノイズ除去力が低下していた。そこで、ノイズキャンセル機能によるノイズ除去力を向上させることが求められている。
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ヘッドホンにおけるノイズ除去能力を向上させることを目的とする。
本発明のヘッドホンは、前気室側に設けられており、外部音を含む前気室音を受ける第１マイクロホンと、前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に含まれる前記外部音の少なくとも一部を打ち消すノイズキャンセル音を前記前気室内に放音するドライバユニットと、前記ドライバユニットに対して前記前気室と反対側に設けられており、前記ドライバユニットから放音された前記ノイズキャンセル音を受ける第２マイクロホンと、前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に基づく信号に前記第２マイクロホンが受けた前記ノイズキャンセル音に基づく信号を加算することにより前記ノイズキャンセル音を生成する音生成部と、を有する。
前記第２マイクロホンは、例えば、前記ドライバユニットに対して前記第１マイクロホンと反対側に設けられている。前記第２マイクロホンと前記ドライバユニットの中心位置との距離は、例えば、前記第１マイクロホンと前記ドライバユニットの中心位置との距離よりも小さい。
前記音生成部は、前記第２マイクロホンが受けた前記ノイズキャンセル音を減衰させる減衰器と、前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に基づく信号と、前記減衰器において減衰された後の信号とを加算する加算器と、前記加算器が加算した後の信号を反転する反転器と、を有してもよい。
本発明によれば、ヘッドホンにおけるノイズ除去能力を向上させることができるという効果を奏する。
本実施の形態に係るヘッドホンにおけるノイズキャンセル方法について説明するための図である。 ヘッドホンのイヤーカップの構成を示す図である。 イヤーカップによる効果を確認するための実験方法について説明するための図である。 ダミーヘッドを用いて測定した従来のヘッドホンのノイズキャンセル性能を示す図である。 ダミーヘッドを用いて測定した本実施の形態のヘッドホンのノイズキャンセル性能を示す図である。 ヘッドホンの各種のノイズキャンセル方式のノイズキャンセル性能を模式的に示す図である。 イヤーカップの変形例を示す図である。
［ノイズキャンセル方法の概要］
図１は、本実施の形態に係るヘッドホン１におけるノイズキャンセル方法について説明するための図である。ヘッドホン１は、ドライバユニット１１と、フィードバックマイクロホン１２と、バランスマイクロホン１３とを有する。また、ヘッドホン１は、外来ノイズをキャンセルするノイズキャンセル音を生成する音生成部２１をさらに有する。音生成部２１は、減衰器２１１、加算器２１２、増幅器２１３及び反転器２１４を有する。音生成部２１は、フィードバックマイクロホン１２が受けた前気室音に基づく信号に、バランスマイクロホン１３が受けたノイズキャンセル音に基づく信号を加算することにより、ノイズキャンセル音を生成する。
ドライバユニット１１は、ヘッドホン１の使用状態においてイヤーカップとユーザの耳との間において、ドライバユニット１１の正面側に形成される前気室１０に放音する。
第１マイクロホンであるフィードバックマイクロホン１２は前気室１０に設けられており、前気室１０において受けた、外部音を含む前気室音を電気信号に変換する。図１に示すように、フィードバックマイクロホン１２には、外部音ａと、ドライバユニット１１から放音されるノイズキャンセル音ｂ１が減衰した減衰ノイズキャンセル音ｂ２と、が含まれる前気室音が入る。フィードバックマイクロホン１２は、前気室音を電気信号に変換し、変換後の電気信号である前気室信号ｃ１を加算器２１２へと出力する。
第２マイクロホンであるバランスマイクロホン１３は、ドライバユニット１１の裏面側、すなわち前気室１０と反対の側に設けられており、ドライバユニット１１の裏面から放出される音を受けて、受けた音を電気信号に変換する。ドライバユニット１１の裏面から放出される音の位相は、ドライバユニット１１の正面から前気室１０に放出される音と反対の位相である。したがって、バランスマイクロホン１３には、ノイズキャンセル音ｂ１と同じ周波数で位相が反転した反転ノイズキャンセル音ｂ３が入る。バランスマイクロホン１３は、反転ノイズキャンセル音ｂ３を電気信号に変換し、電気信号を減衰器２１１に対して出力する。
減衰器２１１は、バランスマイクロホン１３から入力された反転ノイズキャンセル音ｂ３に基づく電気信号を減衰することにより減衰信号ｂ４を生成する。減衰器２１１における減衰量は、ドライバユニット１１から放出されたノイズキャンセル音ｂ１がフィードバックマイクロホン１２に届いて減衰ノイズキャンセル音ｂ２になるまでの間に減衰する量と同等である。すなわち、減衰器２１１における電気信号の減衰率は、ノイズキャンセル音ｂ１がフィードバックマイクロホン１２に届いた時点における減衰ノイズキャンセル音ｂ２をノイズキャンセル音ｂ１で除算した値ｂ２／ｂ１により表される。減衰器２１１は、減衰後の電気信号である減衰信号ｂ４を加算器２１２へと出力する。
加算器２１２は、フィードバックマイクロホン１２から入力された前気室信号ｃ１に、減衰器２１１から入力された減衰信号ｂ４を加算する。減衰信号ｂ４は、減衰器２１１において反転ノイズキャンセル音ｂ３が減衰した音に基づく電気信号であり、前気室信号ｃ１に含まれている減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号と同一周波数、及び同一レベルであり、かつ位相が反対の信号である。したがって、加算器２１２が前気室信号ｃ１に減衰信号ｂ４を加算することにより、前気室信号ｃ１に含まれている減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号を打ち消して、外部音ａに基づく信号を生成することができる。加算器２１２は、外部音ａに基づく信号を増幅器２１３へと出力する。
増幅器２１３は、加算器２１２から入力された外部音ａに基づく信号を増幅して、前気室１０内の残留ノイズレベルとほぼ同等のレベルの増幅信号ａ１を生成する。増幅器２１３は、生成した増幅信号ａ１を反転器２１４へと出力する。
反転器２１４は、増幅器２１３から入力された信号を反転することにより、ノイズキャンセル音ｂ１を生成する。反転器２１４が生成したノイズキャンセル音ｂ１は、ドライバユニット１１から放出される。オーディオ信号と、音生成部２１から出力されたノイズキャンセル音ｂ１とがドライバユニット１１に加えられる。ヘッドホン１は、例えば、オーディオ機器から出力されたオーディオ信号とノイズキャンセル音ｂ１に対応する信号とを加算して加算信号を生成する加算処理部（不図示）を有しており、生成された加算信号がドライバユニット１１に加えられる。
［イヤーカップ２の構成］
図２は、ヘッドホン１のイヤーカップ２の構成を示す図である。イヤーカップ２は、ハウジング３１及びイヤーパッド３２を有する。図２（ａ）は、ユーザの耳側からイヤーカップ２を見た図である。図２（ｂ）は、ユーザの耳側に向かってイヤーカップ２を見た図である。図２（ａ）に示すように、フィードバックマイクロホン１２は、ドライバユニット１１の正面側において、ドライバユニット１１の近傍に設けられている。
図２（ｂ）に示すように、バランスマイクロホン１３は、ドライバユニット１１に対してフィードバックマイクロホン１２と反対側において、ドライバユニット１１の近傍に設けられている。例えば、バランスマイクロホン１３は、ドライバユニット１１の背面における、ドライバユニット１１の振動板が設けられている領域に含まれる位置に設けられている。バランスマイクロホン１３が、振動板に近い位置に設けられていることにより、ドライバユニット１１から放音されるノイズキャンセル音ｂ１と、バランスマイクロホン１３が受ける反転ノイズキャンセル音ｂ３との間の位相のずれを小さくすることができるので、ノイズキャンセル性能を向上させることができる。
ドライバユニット１１から放音されるノイズキャンセル音ｂ１と、バランスマイクロホン１３が受ける反転ノイズキャンセル音ｂ３との間の位相のずれをできるだけ小さくするために、バランスマイクロホン１３は、ドライバユニット１１に埋め込まれるように構成されていてもよい。例えば、バランスマイクロホン１３は、振動板の裏面側における振動板の中心位置付近において、ドライバユニット１１に固定されている。
バランスマイクロホン１３とドライバユニット１１の中心との距離は、フィードバックマイクロホン１２とドライバユニット１１の中心との距離よりも小さいことが好ましい。イヤーカップ２がこのような構成を有することにより、バランスマイクロホン１３が集音する反転ノイズキャンセル音ｂ３の位相と、ドライバユニット１１が放出するノイズキャンセル音ｂ１の位相との位相差がほぼ１８０°になる。また、フィードバックマイクロホン１２が受けるノイズキャンセル音のレベルを低く抑えるとともに、バランスマイクロホン１３が受けるノイズキャンセル音のレベルを高くすることができる。その結果、ノイズキャンセル性能を向上させることができる。
［効果確認実験］
図３は、イヤーカップ２による効果を確認するための実験方法について説明するための図である。本実験においては、人間の頭部を模した測定冶具として、ダミーヘッドＨ（ＨＡＴＳ）を用いる。ダミーヘッドＨは擬似耳殻の内側に測定用マイクロホン３を有している。測定用マイクロホン３で集音される信号は、人間の鼓膜位置に到達する信号に相当する。
ダミーヘッドＨに本実施の形態のヘッドホン１を装着した状態で、スピーカー４からピンクノイズを流している間にノイズキャンセル機能を動作させ、この間に測定用マイクロホン３が集音したノイズ音のレベルを測定した。実験においては、フィードバックマイクロホン１２のゲインを変化させて、それぞれのゲインにおけるノイズキャンセル性能を測定した。フィードバックマイクロホン１２のゲインが増加すると、加算器２１２に入力される減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく電気信号のレベルも大きくなるので、フィードバックマイクロホン１２のゲインを変化させる際には、減衰器２１１の減衰量も変化させた。
図４及び図５は、ダミーヘッドＨを用いて測定したヘッドホンのノイズキャンセル性能を示す図である。図４は、フィードバックマイクロホン１２を有しており、バランスマイクロホン１３を有していない従来のヘッドホンのノイズキャンセル性能を示す図である。図５は、フィードバックマイクロホン１２及びバランスマイクロホン１３を有する本実施の形態のヘッドホン１のノイズキャンセル性能を示す図である。
図４及び図５の横軸は周波数であり、縦軸はノイズキャンセル量である。図４及び図５における実線はフィードバックマイクロホン１２のゲインを１０ｄＢに設定した状態におけるノイズキャンセル量を示し、破線はフィードバックマイクロホン１２のゲインを１１ｄＢに設定した状態におけるノイズキャンセル量を示し、一点鎖線はフィードバックマイクロホン１２のゲインを１２ｄＢに設定した状態におけるノイズキャンセル量を示し、二点鎖線はフィードバックマイクロホン１２のゲインを１３ｄＢに設定した状態におけるノイズキャンセル量を示している。
フィードバックマイクロホン１２のゲインを増加させるにつれてノイズキャンセル量は増加する傾向にあるが、図４においては、フィードバックマイクロホン１２のゲインが１０ｄＢを越えてからフィードバックマイクロホン１２のゲインを増加させても、ノイズキャンセル量はほとんど変化していない。これは、フィードバックマイクロホン１２が減衰ノイズキャンセル音ｂ２を受け、受けた減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号を含む信号を反転させてノイズキャンセル音ｂ１を生成するというループ状態に陥っていることに起因すると考えられる。
これに対して、図５においては、フィードバックマイクロホン１２のゲインが１０ｄＢを越えてからも、フィードバックマイクロホン１２のゲインを増加させるにつれてノイズキャンセル量が増加している。これは、フィードバックマイクロホン１２が受けた減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号を、バランスマイクロホン１３が受けた逆位相の反転ノイズキャンセル音ｂ３に基づく減衰信号ｂ４で打ち消すことで、フィードバックマイクロホン１２に入力される減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号成分が小さく維持されることに起因すると考えられる。
フィードバックマイクロホン１２に入力される減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号成分が小さく維持される結果、フィードバックマイクロホン１２のゲインを増加させることで、反転器２１４に入力される外部音ａに基づく信号成分に対する減衰ノイズキャンセル音ｂ２に基づく信号成分の比が小さくなる。その結果、フィードバックマイクロホン１２のゲインを増加させることによるノイズキャンセル効果が表れやすいと考えられる。
［各方式の比較］
図６は、ヘッドホンの各種のノイズキャンセル方式のノイズキャンセル性能を模式的に示す図である。図６においては、ヘッドホンのノイズキャンセル方式として知られているフィードバック方式、フィードフォワード方式及びハイブリッド方式のノイズキャンセル性能と、本実施の形態の方式のノイズキャンセル性能とを示している。図６の横軸は周波数を示している。縦軸は、図３に示した方法で測定した際に測定用マイクロホン３が受けた残留ノイズをキャンセルできる量を示している。
図６における破線は、フィードバック方式を用いたヘッドホンが放出する音に含まれている残留ノイズの大きさを示している。この方式においては、周波数によらずほぼ一定量のノイズがキャンセルされ、残留ノイズの大きさが一定に保たれている。
図６における一点鎖線は、フィードフォワード方式を用いたヘッドホンが放出する音に含まれている残留ノイズの大きさを示している。ハイブリッド方式においては、ヘッドホンの外面に設けたマイクロホンでノイズを集音し、耳に届くまでのノイズ信号の変化を予測してノイズキャンセル信号を生成することによりノイズを打ち消すことができる。この方式においては、特定の周波数では残留ノイズが小さくなっているが、他の周波数ではフィードバック方式に比べて残留ノイズが大きいことがわかる。
図６における二点鎖線は、フィードバック方式とフィードフォワード方式とを組み合わせたハイブリッド方式を用いたヘッドホンが放出する音に含まれている残留ノイズの大きさを示している。この方式においては、ハイブリッド方式の影響が支配的で、特定の周波数範囲ではフィードバック方式よりも残留ノイズが小さくなっているが、他の周波数範囲ではフィードバック方式よりも残留ノイズが大きい。その結果、ユーザが不快感又は違和感を抱いてしまう。
図６における実線は、本実施の形態のフィードバックマイクロホン１２及びバランスマイクロホン１３を有するヘッドホンが放出する音に含まれている残留ノイズの大きさを示している。この方式においては、広い周波数範囲で他の方式よりも残留ノイズが小さいことがわかる。
［変形例１］
上記の説明においては、加算器２１２が生成した外部音ａに基づく信号を増幅器２１３において増幅し、増幅器２１３が生成した増幅信号ａ１を反転器２１４が反転する構成を例示したが、増幅器２１３における増幅処理と反転器２１４における反転処理の順序は反対であってもよい。すなわち、加算器２１２が生成した外部音ａに基づく信号を反転器２１４で反転した後に、増幅器２１３において増幅してもよい。また、反転器２１４が増幅器２１３の増幅機能を有してもよい。
［変形例２］
上記の説明においては、イヤーカップ２にフィードバックマイクロホン１２及びバランスマイクロホン１３が１個ずつ設けられている構成を例示したが、複数のフィードバックマイクロホン１２が設けられていてもよい。また、イヤーカップ２に複数のバランスマイクロホン１３が設けられていてもよい。
図７は、イヤーカップ２の変形例を示す図である。図７（ａ）は、イヤーカップ２に複数のフィードバックマイクロホン１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）が設けられている例を示している。図７（ａ）に示す例においては、複数のフィードバックマイクロホン１２が、ドライバユニット１１の振動板の中心位置を中心とする同心円上に設けられている。複数のフィードバックマイクロホン１２は、例えばドライバユニット１１の振動板の中心位置を中心とする同心円上に等間隔に設けられている。加算器２１２は、複数のフィードバックマイクロホン１２から入力された複数の減衰ノイズキャンセル音ｂ２の平均値又は中央値を、減衰器２１１から入力される減衰信号ｂ４と加算する。このように、加算器２１２が、複数の減衰ノイズキャンセル音ｂ２の平均値又は中央値を用いることで、フィードバックマイクロホン１２が設けられた位置によるばらつきの影響を軽減できるので、ノイズキャンセル性能がさらに向上する。
図７（ｂ）は、イヤーカップ２に複数のバランスマイクロホン１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）が設けられている例を示している。図７（ｂ）に示す例においては、複数のバランスマイクロホン１３が、ドライバユニット１１の振動板の中心位置を中心とする同心円上に等間隔に設けられている。減衰器２１１は、複数のバランスマイクロホン１３から入力された複数の反転ノイズキャンセル音ｂ３の平均値又は中央値を減衰させて減衰信号ｂ４を生成する。このように、減衰器２１１が、複数の反転ノイズキャンセル音ｂ３の平均値又は中央値を用いることで、バランスマイクロホン１３が設けられた位置によるばらつきの影響を軽減できるので、ノイズキャンセル性能がさらに向上する。
［本実施の形態のヘッドホン１による効果］
以上説明したように、本実施の形態のヘッドホン１は、ドライバユニット１１と、フィードバックマイクロホン１２と、バランスマイクロホン１３と、減衰器２１１と、加算器２１２と、反転器２１４とを有する。バランスマイクロホン１３は、ドライバユニット１１から出力されたノイズキャンセル音を受け、減衰器２１１はノイズキャンセル音に基づく電気信号を減衰させる。そして、加算器２１２は、フィードバックマイクロホン１２が受けた音に基づく電気信号に、減衰器２１１で減衰された後の減衰ノイズキャンセル信号を加算し、反転器２１４は、加算後の信号を反転することによりノイズキャンセル信号を生成する。このようにすることで、フィードバックマイクロホン１２に入り込むノイズキャンセル音の影響を抑制して、外部音を打ち消すノイズキャンセル音を生成できるので、ヘッドホン１のノイズキャンセル性能が向上する。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。
例えば、上記の説明においては、ドライバユニット１１からノイズキャンセル音ｂ１のみが放出される場合を例示したが、ドライバユニット１１からノイズキャンセル音ｂ１とともに楽音が放出されてもよい。また、上記の説明においては、フィードバック方式のヘッドホン１に本発明を適用する例を示したが、ハイブリッド方式に本発明を適用してもよい。
１ ヘッドホン
２ イヤーカップ
３ 測定用マイクロホン
４ スピーカー
１０ 前気室
１１ ドライバユニット
１２ フィードバックマイクロホン
１３ バランスマイクロホン
２１ 音生成部
２１１ 減衰器
２１２ 加算器
２１３ 増幅器
２１４ 反転器
３１ ハウジング
３２ イヤーパッド

Claims (1)

  1. 前気室側に設けられており、外部音を含む前気室音を受ける第１マイクロホンと、
    前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に含まれる前記外部音の少なくとも一部を打ち消すノイズキャンセル音を前記前気室内に放音するドライバユニットと、
    前記ドライバユニットに対して前記前気室と反対側に設けられており、前記ドライバユニットから放音された前記ノイズキャンセル音を受ける第２マイクロホンと、
    前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に基づく信号に前記第２マイクロホンが受けた前記ノイズキャンセル音に基づく信号を加算することにより前記ノイズキャンセル音を生成する音生成部と、
    を有し、
    前記音生成部は、
    前記第２マイクロホンが受けた前記ノイズキャンセル音を減衰させる減衰器と、
    前記第１マイクロホンが受けた前記前気室音に基づく信号と、前記減衰器において減衰された後の信号とを加算する加算器と、
    前記加算器が加算した後の信号を反転する反転器と、
    を有する、ヘッドホン。
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