JPH05316588A

JPH05316588A - 実耳指向特性制御装置

Info

Publication number: JPH05316588A
Application number: JP4114651A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamauchi; 健治山内; Tetsuo Fujiwara; 哲郎藤原; Yuji Sakamoto; 楢次阪本; Shuhei Konishi; 周平小西
Original assignee: KURIE KK; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: KURIE KK; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-05-07
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1993-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】数々の音源が存在するような場合、あるいは
間接音が多いような場合に、目的の音を選択して聴取し
たり、騒音を除去することにより音楽等を自然な状態で
楽しむ。【構成】耳を覆うように装着されるエンクロージャ３
の外部に実耳伝達関数補正用のマイクロホン１を設け、
エンクロージャ３の内部にスピーカ４を設け、エンクロ
ージャ３の内部のスピーカ４の近傍にマイクロホン２を
設ける。外部音響信号を収音するマイクロホン１の出力
信号をスピーカ増幅回路７で処理し、マイクロホン１の
指向特性をスピーカ４にて音響信号として再生する。ま
た、スピーカ４の近傍にマイクロホン２を設けてスピー
カ４の振動系の運動を検出しスピーカ増幅回路７へ帰還
して指向特性の変化を正確に再現させるスピーカ動帰還
回路を構成する。そして、耳における実耳伝達関数によ
る指向特性を補正し、聴覚の方向性を電気的に制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、人間の耳における指
向特性を可変することにより、任意の方向の音のみを聴
取することを可能とし、直接波に対する散乱波の割合を
制御できるものであり、聴取が難しい音を選択して聴き
分ける用途に応用ができ、また騒音を除去することによ
り、音を自然な状態で聴くことができる実耳指向特性制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロホンの指向特性を電気的に可変
するために、ＭＳ方式が一般的に知られている。これ
は、エイチ・ラウリドセン氏（Ｈ．Ｌａｕｒｉｄｓｅ
ｎ）によって提案されたもので、図５のように、Ｍマイ
クロホン（ＭはＭｉｄｄｌｅを表す：単一指向特性）
と、Ｓマイクロホン（ＳはＳｉｄｅを表す：双指向特
性）とが直角に配置されている。このＭおよびＳの両マ
イクロホンの出力を図６に示す和差動回路に通すと、そ
の出力は（Ｍ＋Ｓ）と（Ｍ−Ｓ）となる。

【０００３】すなわち、Ｓマイクロホンの正相側におい
て（Ｍ＋Ｓ）となり、また逆相側において

【０００４】

【数１】〔Ｍ−（−Ｓ）〕＝（Ｍ＋Ｓ）となる左右対称な指向特性となり、図７の仮想マイクロ
ホンの方向に合成される。したがって、最高感度の開き
角度は２δ°となり、元のＭ，Ｓの両マイクロホンの指
向特性が変化したことになる。また、仮想マイクロホン
の指向角を変化させるためには、Ｍ，Ｓの各マイクロホ
ンの利得を変化させることで達成できる。

【０００５】図７において、正面からの入射角α°の方
向に対する仮想マイクロホンの和成分Ｇａは

【０００６】

【数２】Ｇａ＝Ｉｍ〔（１＋cos α）／２〕＋Ｉｓ・sin α となる。ただし、ＩｍはＭマイクロホンの利得、Ｉｓは
Ｓマイクロホンの利得である。また、差成分Ｇｂは、

【０００７】

【数３】Ｇｂ＝Ｉｍ〔（１＋cos α）／２〕−Ｉｓ・sin α となる。上記（数２）より和成分Ｇａは常に正相とな
り、（数３）より差成分Ｇｂは以下の条件となる。すな
わち、

【０００８】

【数４】（１＋cos α）／２＞（Ｉｓ／Ｉｍ）sin α のときに正相となり、

【０００９】

【数５】（１＋cos α）／２＝（Ｉｓ／Ｉｍ）sin α のときに零となり、

【００１０】

【数６】（１＋cos α）／２＜（Ｉｓ／Ｉｍ）sin α のときに逆相となる。この方式の利点は、ワンポイント
のステレオマイクロホンを用いることにより連続して指
向特性を変化でき、またＭ，Ｓの両マイクロホンの利得
の詳密な調整において、音声再生手段を用い、固定され
た音源を見出すことも可能であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、Ｍマイクロホンは単一指向特性、Ｓマイ
クロホンは双指向特性の単純な特性のため、人間の複雑
な実耳の伝達特性は考慮されておらず、人間の両耳の指
向特性とは無関係に作用するという問題点を有してい
た。

【００１２】また、人間を取り巻く環境において、誰も
が身近に感じているものに、騒音問題、難受聴がある
が、日常生活や職場の中で各種の音が混在しているよう
な場合においては、個人に対しては何ら考慮されていな
いのが現状である。少しでも聴取の改善を図ろうとする
目的のために、補聴器があるが、これは片耳にのみ使用
されることが一般的であり、方向感覚を得ることや、目
的とする音を選択することができる人間の両耳聴効果を
満足するものではない。

【００１３】この発明の目的は、上記の従来の問題点を
解決するもので、両耳による音響心理的効果を利用する
ことにより、従来技術では実現しなかった音響再生、つ
まり聴覚の方向性を制御することが可能な実耳指向特性
制御装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の実耳指向特性
制御装置は、耳を覆うように装着されるエンクロージャ
の外部に実耳伝達関数補正用の第１のマイクロホンを設
け、エンクロージャの内部にスピーカを設け、エンクロ
ージャの内部のスピーカ近傍に第２のマイクロホンを設
けている。

【００１５】また、外部音響信号を収音する第１のマイ
クロホンの出力信号を増幅回路で処理し、スピーカにて
増幅回路の出力信号を電気−音響変換することにより第
１のマイクロホンの指向特性を音響信号として再生す
る。また、スピーカ近傍に設けた第２のマイクロホンで
スピーカの振動系の運動を検出し増幅回路へ帰還するこ
とで、指向特性の変化を正確に再現させるスピーカ動帰
還回路を構成する。そして、耳における実耳伝達関数に
よる指向特性を補正し、聴覚の方向性を電気的に制御す
る。

【００１６】

【作用】この発明の構成によれば、エンクロージャ外の
第１のマイクロホンと増幅回路とエンクロージャ内のス
ピーカとエンクロージャ内の第２のマイクロホンとで構
成される系が所定の伝達関数を有し、この伝達関数によ
る指向特性と耳における実耳伝達関数による指向特性と
が耳道で合成され、結果的に耳における実耳伝達関数に
よる指向特性が補正されることになり、聴覚の方向性を
電気的に制御する。この結果、特定の方向の音のみを聴
取したり、あるいは耳における実耳伝達関数と第１のマ
イクロホンと増幅回路とスピーカと第２のマイクロホン
とで構成される系の伝達関数がちょうど逆相となるよう
にして耳に入る騒音等の不要な外部音響信号を打ち消
し、別の外部信号源の音をスピーカで再生して騒音の影
響を受けずに聴取することが可能となる。

【００１７】

【実施例】この発明の一実施例について図１ないし図４
を参照しながら説明する。図１はこの発明の一実施例を
示すものである。図１において、左右のエンクロージャ
３の後面にマイクロホン１が配置され、エンクロージャ
３の内部のスピーカ４の前面近傍に別のマイクロホン２
が取り付けられている。マイクロホン１は、音源から発
生し伝播された音響信号、つまり外部音響信号を収音し
て電気信号に変換する機能を有する。また、マイクロホ
ン２は、スピーカ４の振動系の運動を検出し駆動系、具
体的にはスピーカ増幅回路７へ帰還して振動系の運動を
制御する機能を有する。なお、エンクロージャ３，マイ
クロホン１，２およびスピーカ４は、左右対称に構成さ
れ、左右の耳にそれぞれ装着される。この際、マイクロ
ホン１，２およびスピーカ４は、エンクロージャ３を耳
に装着したときに、耳道と同軸上に配置するのが最適で
ある。また、エンクロージャ３は、音響再生用のヘッド
ホンのハウジングのようなものである。

【００１８】スピーカ４は、マイクロホン１から得られ
る音響を処理して出力することで、固有の指向特性が形
成され、マイクロホン２で得られる音響を帰還してスピ
ーカ４から出力することでスピーカ振動系の制御が行わ
れる。また、実耳にはエンクロージャ３で囲まれた上で
スピーカ４から両耳伝達特性として与えられ、指向特性
を有する。つまり、スピーカ４から放射された音が耳介
１１に達し、耳道８を通して鼓膜９に到達する。なお、
図１では、エンクロージャ３に設けた開口３ａを通して
外部音響信号Ｓが、エンクロージャ３内に到達するよう
に図示しているが、開口３ａは模式的なものであり、実
際には、外部音響信号Ｓはエンクロージャ３の隔壁を通
してエンクロージャ３内に伝搬し、特別に開口３ａを設
けているというものではない。開口３ａを実際にエンク
ロージャ３に設けても不都合はない。

【００１９】具体的には、マイクロホン１の出力信号
は、マイクロホン１の増幅回路５に入力されてエンクロ
ージャ３内部の周波数特性と同等とするため、イコライ
ザが付加され、さらにその位相が反転される。また、そ
の出力は加算器６を通り規定の利得をもったスピーカ増
幅回路７に入り、エンクロージャ３内部にあるスピーカ
４から音響信号として再生され、両耳道８を経由して左
右各々の鼓膜９に達する。

【００２０】マイクロホン２の出力信号は、マイクロホ
ン増幅回路１０に入力され、スピーカ４での音響特性に
おいて目標の周波数特性を得、歪の低減と利得の安定化
を図るための負帰還回路を形成し、スピーカ４の特性を
向上させる。マイクロホン増幅回路１０の出力は、上記
スピーカ増幅回路７に入り、上記スピーカ４から音響信
号として再生される。

【００２１】また、実耳伝達関数は、頭部、肩部、胴体
部の伝達関数を含めた形としてエンクロージャ３を経由
して左右両耳介１１に入るもので、その後各々の耳道８
を通り鼓膜９に到達する。外部信号増幅回路１２は、外
部機器の出力信号を増幅してマイクロホン増幅回路５の
出力信号と加算され、スピーカ４から音響信号として再
生され、上記と同様、左右各々の耳道８を通り鼓膜９に
伝達される。

【００２２】以上のような構成により、外部音響信号Ｓ
がエンクロージャ３の後面に配置されたマイクロホン１
により収音され、その出力電気信号が任意の利得をもっ
た負帰還増幅回路を通りスピーカ４からその信号が増幅
されて出力される。また、このスピーカ４には駆動系の
制御を行うためスピーカ４の前面近傍にマイクロホン２
が配置され、その出力信号が負帰還増幅回路を通り、ス
ピーカ４から再生される場合に、目標とする音響再生特
性を得ることができる。上記エンクロージャ３の後面の
マイクロホン１からの出力信号をスピーカ４から出力す
る再生系において任意の利得をもった伝達関数が形成さ
れ固有の指向特性をもち、この指向特性と聴取者自身に
よって得られる実耳伝達関数における指向特性が合成さ
れることになり、実耳の指向特性を変化させることがで
きる。指向特性の制御はエンクロージャ３の後面に配置
されたマイクロホン１による帰還回路の利得の変化によ
って行うことができる。

【００２３】図２は、図１で示された構成を各々の伝達
関数を用いて表した等価回路のブロックダイヤグラムで
ある。図２において、１３は入力部、１４は出力部、１
５は外部機器出力信号である。１６は外部音響信号Ｓが
本来耳道８へ達する経路に対応した耳介伝達関数Ｈｈ
（ｆ）を有するブロック、１７はマイクロホン１に対応
したマイクロホン伝達関数Ｈｍ（ｆ）を有するブロッ
ク、１８はスピーカ４に対応したスピーカ伝達関数Ｈｓ
（ｆ）を有するブロック、１９はマイクロホン２からマ
イクロホン増幅回路１０，加算器６を通してスピーカ増
幅回路７へ戻る帰還経路に対応したスピーカ動帰還回路
伝達関数Ｈβ（ｆ）を有するブロック、２０は外部信号
増幅回路１２に対応した外部信号増幅回路伝達関数Ｍ₀
（ｆ）を有するブロック、２１は耳道８に対応した耳道
伝達関数Ｈｅ（ｆ）を有するブロック、２２は鼓膜９に
対応した鼓膜伝達関数Ｈｃ（ｆ）を有するブロックであ
る。

【００２４】入力部１３は外部音響信号Ｓに相当し、出
力部１４は実耳等価音圧Ｐ₀に相当する。入力部１３か
ら外部音響信号Ｓが入力されエンクロージャ３で覆われ
た耳介１１に入り聴取される。外部音響信号Ｓは人間の
頭部、肩部、胴体部、耳介およびエンクロージャ３によ
り反射、回折、吸収された後、耳道８に達するが、これ
らをまとめて耳介伝達関数Ｈｈ（ｆ）と表す。したがっ
て、この場合に耳道８への入力Ｐ₁は、

【００２５】

【数７】Ｐ₁＝Ｓ・Ｈｈ（ｆ）となる。また、上記と同様に、外部音響信号Ｓは、マイ
クロホン１にも入力される。前記マイクロホン増幅回路
５における処理を含めたマイクロホン１の伝達関数をマ
イクロホン伝達関数Ｈｍ（ｆ）にて表す。マイクロホン
伝達関数Ｈｍ（ｆ）は、スピーカ４へ入力される。ここ
で、スピーカ伝達関数をＨｓ（ｆ）とすれば、その出力
Ｐ₂は、

【００２６】

【数８】Ｐ₂＝Ｓ・Ｈｍ（ｆ）・Ｈｓ（ｆ）で表される。ただし、スピーカ４は前記のマイクロホン
２を用いマイクロホン増幅回路１０により負帰還されて
いるので、スピーカ動帰還回路をＨβ（ｆ）なるスピー
カ動帰還回路伝達関数で表せば、スピーカ伝達関数Ｈｓ
（ｆ）は、Ｈｓ′（ｆ）となり、

【００２７】

【数９】Ｈｓ′（ｆ）＝Ｈｓ（ｆ）／〔１＋Ｈβ（ｆ）・Ｈｓ（ｆ）〕で表される。したがって、このときのスピーカ４の出力
をＰ₂′とすれば、

【００２８】

【数１０】Ｐ₂′＝Ｓ・Ｈｍ（ｆ）・Ｈｓ′（ｆ）＝〔Ｓ・Ｈｍ（ｆ）・Ｈｓ（ｆ）〕／〔１＋Ｈβ（ｆ）・Ｈｓ（ｆ）〕となる。外部音響信号Ｓがマイクロホン１からスピーカ
４へ出力される電気−音響変換による信号と、外部音響
信号Ｓが電気回路を介さず耳介伝達関数Ｈｈ（ｆ）を関
して出される信号とに合成した出力Ｐ₃を上記伝達関数
で表せば、

【００２９】

【数１１】

【００３０】となる。したがって、指向特性は、

【００３１】

【数１２】

【００３２】の合成によって与えられる。指向特性が得
られなくなる臨界点はエンクロージャ３内部の音圧が０
になる点であり、外部音響信号Ｓの係数が０となる時で
あり、（数１１）より

【００３３】

【数１３】

【００３４】となり、この場合外部音響が打ち消されて
いることになる。また、耳介伝達関数Ｈｈ（ｆ）は正相
であるので、

【００３５】

【数１４】

【００３６】のときに正相となり、

【００３７】

【数１５】

【００３８】のときに逆相となる指向特性を得ることに
なる。エンクロージャ３とその内部のスピーカ４を装着
した状態において、実耳の角度θ方向からの音源に対す
る耳介伝達関数をＨｈ（ｆ，θ）で表し、この装着時の
状態において、実耳指向特性制御装置が動作して補正が
行われた場合の伝達関数をＨｈ′（ｆ，θ）で表せば、

【００３９】

【数１６】

【００４０】となり、特に

【００４１】

【数１７】Ｈｓ（ｆ，θ）＝１の場合、（数１６）は

【００４２】

【数１８】

【００４３】で表される。また、

【００４４】

【数１９】Ｈβ（ｆ，θ）≫１のとき、（数１８）は

【００４５】

【数２０】

【００４６】で表されるので、マイクロホン伝達関数Ｈ
ｍ（ｆ，θ）とスピーカ動帰還回路伝達関数Ｈβ（ｆ，
θ）との比により任意の指向特性が与えられることにな
る。また、外部信号増幅回路１２の入力部１５に外部入
力信号Ｍがある場合、外部信号増幅回路１２の伝達関数
をＭ₀（ｆ）で表せば、出力Ｐ₄は

【００４７】

【数２１】Ｐ₄＝Ｍ・Ｍ₀（ｆ）となる。したがって、耳道８前にて耳介伝達関数Ｈｈ
（ｆ）と音響的に合成された出力をＰ₃′とすれば、ス
ピーカ伝達関数はＨｓ（ｆ）・Ｍ₀（ｆ）・Ｍと変化す
るので、（数１１）より

【００４８】

【数２２】

【００４９】となり、（数１３）の条件より外部音響が
耳道８前にて得られないとき、外部入力信号Ｍは耳道８
において、

【００５０】

【数２３】

【００５１】のように、出力Ｐ₃″となる。図３に、右
耳にのみ本実耳指向特性制御装置を装着した場合におい
て、実耳指向特性制御装置を動作させていない場合の伝
達関数Ｈｈ（ｆ，θ）が実耳指向特性制御装置を動作さ
せたことによって、伝達関数Ｈｈ′（ｆ，θ）に変化し
た時の指向特性の変化の様子を示す。所望の指向特性Ｈ
ｈ′（ｆ，θ）を得るためには、（数２０）が示すよう
に、マイクロホン伝達関数Ｈｍ（ｆ，θ）とスピーカ動
帰還回路伝達特性Ｈβ（ｆ，θ）を決定すればよいこと
になる。

【００５２】左耳に装着した場合は、図３の正面−真後
ろを通る線に対して対称形の指向特性となるので、この
場合の両耳として合成指向特性は図４のようになる。以
上のように、この実耳指向特性制御装置は、耳の指向特
性を制御するために、マイクロホン１が取り付けられ、
入力部１３からの外部音響信号ＳがＨｍ（ｆ）なるマイ
クロホン伝達関数をもって、エンクロージャ３内部に配
置されたスピーカ４に出力されるが、この時スピーカ伝
達関数Ｈｓ（ｆ）とマイクロホン２を含んだスピーカ動
帰還回路のスピーカ動帰還回路伝達関数Ｈβ（ｆ）が与
えられてその出力は頭等の形状によるものとスピーカ４
のエンクロージャ３によって得られる耳介伝達関数Ｈｈ
（ｆ）と耳道８の前で音響信号として合成されることに
なる。この結果、指向特性の変化は、マイクロホン伝達
関数Ｈｍ（ｆ，θ）とスピーカ動帰還回路伝達関数Ｈβ
（ｆ，θ）を変化させることにより実現できる。

【００５３】また、外部音響を（数１３）の条件によっ
て打ち消すことができ、外部機器の信号も（数２３）に
よって与えられる。したがって、数々の音源が存在する
ような場合、あるいは間接音が多いような場合に目的の
音を選択して聴取したり、騒音を除去することにより音
楽等を自然な状態で楽しむことができる。したがって、
補聴器の用途とは異なり、一般の人々に広く活用される
もので、音楽会、講演会、会議場をはじめ競技場，電車
内等で使用でき、テレビジョン放送、ＡＶシステムや精
神療法を目的としたシステムにも適用できる。

【００５４】

【発明の効果】この発明の実耳指向特性制御装置によれ
ば、エンクロージャ外の第１のマイクロホンと増幅回路
とエンクロージャ内のスピーカとエンクロージャ内の第
２のマイクロホンとで構成される系が所定の伝達関数を
有し、この伝達関数による指向特性と耳における実耳伝
達関数による指向特性とが耳道で合成され、結果的に耳
における実耳伝達関数による指向特性が補正されること
になり、聴覚の方向性を電気的に制御することができ、
特定の方向の音のみを聴取したり、あるいは耳における
実耳伝達関数と第１のマイクロホンと増幅回路とスピー
カと第２のマイクロホンとで構成される系の伝達関数が
ちょうど逆相となるようにして耳に入る騒音等の不要な
外部音響信号を打ち消し、別の外部信号源の音をスピー
カで再生して騒音の影響を受けずに聴取することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の実耳指向特性制御装置の構
成図である。

【図２】本発明の一実施例の実耳指向特性制御装置を説
明するために用いる等価回路のブロックダイヤグラムで
ある。

【図３】本実耳指向特性制御装置を右耳に装着した場合
において、実耳指向特性制御装置を動作させていない場
合の指向特性と動作させた場合の指向特性とを示す特性
図である。

【図４】本実耳指向特性制御装置を両耳に装着した場合
において、実耳指向特性制御装置を動作させていない場
合の指向特性と動作させた場合の指向特性とを示す特性
図である。

【図５】従来技術の指向特性制御が行えるＭＳ方式のマ
イクロホン合成前の指向特性を示す特性図である。

【図６】ＭＳ方式の各マイクロホンの出力を和および差
として取り出す和差動回路の構成を示す回路図である。

【図７】和差動回路の利用し合成された指向特性を示す
特性図である。

【符号の説明】

１マイクロホン２マイクロホン３エンクロージャ４スピーカ５マイクロホン増幅回路６加算器７スピーカ増幅回路８耳道９鼓膜１０マイクロホン増幅回路１１耳介１２外部信号増幅回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阪本楢次大阪府大阪市北区天満３丁目１番２号株式会社クリエ内 (72)発明者小西周平大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耳を覆うように装着されるエンクロージ
ャと、このエンクロージャの外部に設けられて外部音響
信号を収音する実耳伝達関数補正用の第１のマイクロホ
ンと、前記第１のマイクロホンの出力信号を処理する増
幅回路と、前記エンクロージャの内部に設けられて前記
増幅回路の出力信号を電気−音響変換することにより前
記第１のマイクロホンの指向特性を音響信号として再生
するスピーカと、前記エンクロージャの内部の前記スピ
ーカ近傍に設けられて前記スピーカの振動系の運動を検
出し前記増幅回路へ帰還して指向特性の変化を正確に再
現させるスピーカ動帰還回路を構成する第２のマイクロ
ホンとを備え、耳における実耳伝達関数による指向特性
を補正し、聴覚の方向性を電気的に制御するようにした
ことを特徴とする実耳指向特性制御装置。