JPH066886A

JPH066886A - 騒音低減ヘッドホン

Info

Publication number: JPH066886A
Application number: JP4188594A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Kimura; 彰良木村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】頭内定位現象を生じさせず、かつ、装着状態
が変化しても常に十分な騒音低減効果を得るヘッドホン
を提供する。【構成】外耳道とほぼ同一の内径を有し、一端側が耳
介への装着部とされ、他端１６側が音声の無反射端とな
された音響管１１をヘッドホン筐体とする。音響管１１
の管内に振動板が臨むようにヘッドホンドライバ１２を
取り付ける。周囲の騒音を収音するように音響管１１
に、騒音収音用マイクロホン１４を取り付ける。耳道入
口近傍の音声を収音するように、残差検出用マイクロホ
ン１３を音響管１１に取り付ける。騒音収音用マイクロ
ホン１４からの音声信号から耳道入口に混入する騒音に
近似し、騒音とは逆相の信号を形成する適応処理回路を
設ける。残差検出用マイクロホン１３の出力音声信号の
出力パワーが最小になるように、適応処理回路がその出
力信号を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、騒音低減ヘッドホン
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から聴取者の周囲の騒音と逆相、等
振幅の騒音打ち消し用の音声信号を形成し、この音声信
号をスピーカにより放音して、騒音を打ち消すようにす
る騒音低減システムが知られている。

【０００３】すなわち、騒音源からの騒音を収音するた
めの騒音収音用マイクロホンを設け、この騒音収音用マ
イクロホンから得られた騒音の音声信号を、打ち消し音
形成回路に供給し、騒音源から発生する騒音に対して、
逆相で等振幅の音声信号を形成する。この打ち消し音形
成回路からの打ち消し音声を、スピーカなどの発音体に
供給して、放音し、騒音を低減する。

【０００４】また、耳の近傍の音場における騒音残差を
収音するための残差検出用マイクロホンを設け、この残
差検出用マイクロホンから得られた残差に基づいて打ち
消し音形成回路を調整し、残差が零になるように、打ち
消し音を調整する。

【０００５】この騒音低減システムをヘッドホンに応用
した騒音低減ヘッドホンが知られている。すなわち、ヘ
ッドホンに騒音収音用マイクロホンと残差検出用マイク
ロホンを組み込み、騒音収音用マイクロホンで収音した
騒音から騒音打ち消し音を形成し、その騒音打ち消し音
を主要入力音声に加えてヘッドホンドライバに供給して
放音し、騒音をキャンセルするようにしたものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されている騒音低減ヘッドホンは、完全に耳を覆う密
閉型のものであり、重量が重く、側圧による耳の周りの
圧迫感が生じ、長時間の装着は、人間に対して著しい疲
労感を与えると共に、耳介からの発汗により装着感が不
快になる。

【０００７】また、ヘッドホンから発せられた音が鼓膜
とヘッドホンの振動膜や筐体との間で反射を生じ、これ
が、聴感上、頭内定位現象や圧迫感となって作用する。

【０００８】さらに、打ち消し音形成回路は、ヘッドホ
ンの所定の装着状態で、最適の騒音低減効果が得られる
ように、その特性が調整されてその状態に固定される
が、ヘッドホンの装着具合が変動すると、ヘッドホンか
ら鼓膜に到達する音声の伝達特性が変化するため、騒音
低減効果が調整状態に比べて小さくなってしまう。

【０００９】この発明は、以上の点に鑑み、小型軽量で
装着による圧迫感が少なく、また、頭内定位現象や聴感
による圧迫もなく、さらにヘッドホンの装着状態の変動
に関係なく、常に十分な騒音低減効果が得られるように
した騒音低減ヘッドホンを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明による騒音低減ヘッドホンは、後述の実施
例の参照符号を対応させると、外耳道とほぼ同一の内径
を有し、一端側が耳介への装着部とされ、他端側が音声
のほぼ無反射端となるようになされた音響管１１と、こ
の音響管１１の管内に振動板が臨むように取り付けられ
た発音体１２と、周囲の騒音を収音するように音響管１
１に取り付けられた第１のマイクロホン１４と、外耳道
入口２２の近傍の音声を収音するように音響管１１に取
り付けられた第２のマイクロホン１３と、第１のマイク
ロホン１４で収音した音声信号から外耳道入口２２に混
入する騒音に近似し、この騒音とは逆相の騒音打ち消し
音声信号を形成する適応処理回路３３とを備え、適応処
理回路３３で形成した信号を発音体１２に供給して、外
耳道入口２２の近傍の騒音を低減すると共に、第２のマ
イクロホン１３で収音した残差音声信号を適応処理回路
３３に供給し、第２のマイクロホン１３の出力音声信号
の出力パワーが最小になるように、適応処理回路３３が
その出力信号を調整するようにしたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】上記の構成のこの発明によれば、他端側が、無
反射端とされた音響管１１をヘッドホン筐体としてい
る。そして、発音体（ヘッドホンドライバ）１２から発
せられた音声は、この音響管１１を通って鼓膜２３に達
する。そして、音響管１１の他端１６側は無反射端とな
っているので、ヘッドホンから発せられた音が、鼓膜２
３とヘッドホンドライバの振動膜や筐体との間で反射を
生じることはなく、頭内定位現象や聴感上の圧迫感がな
くなる。

【００１２】また、適応処理回路３３は、残差検出用の
第２のマイクロホン１３の出力信号パワーが常に最小に
なるように、その出力信号である打ち消し音を調整す
る。したがって、ヘッドホンの装着状態が変わっても常
に十分な騒音低減効果が得られる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明による騒音低減ヘッドホンの
一実施例を図を参照しながら説明する。図１は、本実施
例の騒音低減ヘッドホン１０を耳２１の外耳道入口２２
に装着した状態を示す図である。

【００１４】この実施例の騒音低減ヘッドホン１０は、
図１に示すように、音響管１１と、発音体としてのヘッ
ドホンドライバユニット１２と、残差収音用マイクロホ
ン１３と、騒音収音用マイクロホン１４とを備えてい
る。

【００１５】音響管１１は、この例の騒音低減ヘッドホ
ン１０の筐体となるもので、この音響管１１は、耳２の
外耳道の内径Ｗと同じ内径を有し、外耳道入口２２から
音源側を見込んだときの音響インピーダンスが、外耳道
のそれと同じになるようにされている。この音響管１１
の外耳道入口２２への挿入部となる一端側には、合成樹
脂やゴムなどの可撓性を有する材料で構成される耳介装
着部１５が設けられている。この音響管１１は、その他
端側１６の端部で反射が生じないように、ある程度長く
構成される。なお、図示の例のように、音響管１１の他
端側１６の内部に、吸音材などの音響抵抗体１７を配す
ることにより音響管１１の長さを短くすることができ
る。音響管１１も、合成樹脂などの可撓性の材料で構成
して、頭に装着し易くすることができる。

【００１６】ヘッドホンドライバユニット１２は、音響
管１１の周側面の、この音響管１１の音響インピーダン
スを乱さない位置において、その振動板が音響管１１内
に臨むように設けられている。この例では、音響抵抗体
１７が配されている他端１６側周側面に設けられてい
る。また、残差収音用マイクロホン１３も、音響管１１
の音響インピーダンスに影響を与えない位置であって、
音響管１１の周側面のできるだけ外耳道入口に近い位置
に、ドライバユニット１２と外耳道と音響管１１で囲ま
れた空間に、その振動板が臨むように設けられる。

【００１７】以上のように、ヘッドホン筐体を音響管１
１の構成として、外耳道入口から音源（発音体）側を見
込んだときに、音源、筐体、鼓膜２３及び耳介からの反
射を生じない、あるいは多少の反射が生じても、反射音
の時間遅れを大きく（例えば数百μｓｅｃ）することが
でき、頭内定位現象を生じさせないようにすることがで
きる。

【００１８】そして、外耳道入口２２に混入する騒音
は、以下に説明するような、適応処理を利用した騒音低
減の回路構成により、ヘッドホンの装着状態が変動して
も常に充分に低減される。

【００１９】この実施例の説明をする前に、図２を参照
しながら適応型騒音低減回路について説明する。図２に
おいて、１は主要入力端子、２は参照入力端子であっ
て、主要入力端子１を通じて入力された信号は遅延回路
３を介して合成回路４に供給される。また、参照入力端
子２を通じて入力された信号は適応フィルタ回路５を介
して合成回路４に供給される。そして、この合成回路４
の出力は、適応フィルタ回路５に帰還されると共に、出
力端子６に導出される。

【００２０】この騒音低減装置においては、主要入力端
子１には、希望信号ｓと、これと無相関の騒音ｎ0 とが
加算されたものが入力される。一方、参照入力端子２に
は、騒音ｎ1 が入力される。この参照入力の騒音ｎ1
は、希望信号とは無相関であるが、騒音ｎ0 とは相関が
あるようにされている。

【００２１】適応フィルタ回路５は、参照入力騒音ｎ1
をフィルタリングして、騒音ｎ0 に近似する信号ｙを出
力する。そして、合成回路４では、遅延回路３の出力信
号から適応フィルタ回路５の出力信号を減算する処理が
行なわれる。遅延回路３は、適応フィルタ回路５での処
理時間を考慮したものである。

【００２２】適応フィルタ回路５における適応のアルゴ
リズムは、合成回路４の出力である減算出力（残差出
力）ｅを最小にするように働く。すなわち、今、ｓ，ｎ
0 ，ｎ1 ，ｙが統計的に定常であり、平均値が０である
と仮定すると残差出力ｅは、ｅ＝ｓ＋ｎ0 −ｙとなる。これを二乗したものの期待値は、ｓがｎ0 と、
また、ｙと無相関であるから、Ｅ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］＋２Ｅ［ｓ（ｎ0 −ｙ）］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅ［（ｎ0 −ｙ）²］となる。適応フィルタ回路５が収束するものとすれば、
適応フィルタ回路５は、Ｅ［ｅ²］が最小になるように
調整されるものである。このとき、Ｅ［ｓ²］は影響を
受けないので、Ｅmin ［ｅ²］＝Ｅ［ｓ²］＋Ｅmin ［（ｎ0 −ｙ）²］となる。すなわち、Ｅ［ｅ²］が最小化されることによ
ってＥ［（ｎ0 −ｙ）²］が最小化され、適応フィルタ
回路５の出力ｙは、騒音ｎ0 の推定量になる。そして、
合成回路４からの出力の期待値は、希望信号ｓのみとな
る。すなわち、適応フィルタ回路５を調整して全出力パ
ワーを最小化することは、減算出力ｅが、希望音声信号
ｓの最小二乗推定値になることに等しい。

【００２３】なお、適応フィルタ回路５はアナログ信号
で実現する場合とデジタル信号処理回路で実現する場合
の、いずれでも可能である。適応フィルタ回路５を、デ
ジタルフィルタを用いて実現した場合の例を図３に示
す。この例は、適応のアルゴリズムとして、いわゆるＬ
ＭＳ（最小平均自乗）法を使用する。

【００２４】図３に示すように、この例では、ＦＩＲフ
ィルタ型の適応線形結合器３００を使用する。これは、
それぞれ単位サンプリング時間の遅延時間Ｚ^-1を有する
複数個の遅延回路ＤＬ１，ＤＬ２，……ＤＬｍ（ｍは正
の整数）と、入力騒音ｎ1 及び各遅延回路ＤＬ１，ＤＬ
２，……ＤＬｍの出力信号と加重係数との掛け算を行う
加重回路ＭＸ０，ＭＸ１，ＭＸ２，……ＭＸｍと、加重
回路ＭＸ０〜ＭＸｍの出力を加算する加算回路３１０を
備える。加算回路３１０の出力はｙである。

【００２５】加重回路ＭＸ０〜ＭＸｍに供給する加重係
数は、例えばマイクロコンピュータからなるＬＭＳ演算
回路３２０で、合成回路４からの残差信号ｅに基づいて
形成される。このＬＭＳ演算回路３２０で実行されるア
ルゴリズムは、次のようになる。

【００２６】今、時刻k における入力ベクトルＸ_kを、
図５にも示すように、Ｘ_k＝［ｘ_0k ｘ_1k ｘ_2k ・・・ｘ_mk］^T とし、出力をｙ_k、加重係数をｗ_jk（j=0,1,2,…m ）と
すると、入出力の関係は、次の数１に示すように、

【００２７】

【数１】となる。

【００２８】そして、時刻k における加重ベクトルＷ_k
を、Ｗ_k＝［ｗ_0k ｗ_1k ｗ_2k ・・・ｗ_mk］^T と定義すれば、入出力関係は、ｙ_k＝Ｘ_k ^T・Ｗ_k で与えられる。ここで、希望の応答をｄ_kとすれば、残
差ｅ_kは次のように表される。ｅ_k＝ｄ_k−ｙ_k ＝ｄ_k−Ｘ_k ^T・Ｗ_k ＬＭＳ法では、加重ベクトルの更新を、Ｗ_k+1＝Ｗ_k＋２μ・ｅ_k・Ｘ_k なる式により順次行っていく。ここで、μは適応の速度
と安定性を決める利得因子（ステップゲイン）である。

【００２９】以上説明した図２の適応騒音低減回路にお
いて、適応フィルタ回路５の出力を音声として発音体
（例えばヘッドホンドライバ）により放音し、これと、
騒音ｎを含む希望音声ｓとを、合成回路４で音響的に合
成することにより、この発明による騒音低減ヘッドホン
の実施例を構成できる。

【００３０】図４は、その騒音低減ヘッドホンの回路構
成の一実施例である。すなわち、騒音収音用マイクロホ
ン１４により収音され、電気信号に変換されて得られた
騒音信号は、アンプ３１を介してＡ／Ｄコンバータ３２
に供給されて、デジタル信号に変換され、適応フィルタ
回路３３に供給される。この適応フィルタ回路３３は、
前述の図３の回路と同様の構成とすることができ、ＦＩ
Ｒフィルタ３３Ｆと、ＬＭＳ演算回路３３Ｌとで構成さ
れる。

【００３１】この適応フィルタ回路３３の出力信号は、
Ｄ／Ａコンバータ３４によりアナログ音声信号に戻さ
れ、音楽ソースなどの主音声信号と加算回路３５におい
て、加算され、その加算信号がアンプ３６を介してヘッ
ドホンドライバ１２に供給される。そして、このヘッド
ホンドライバ１２により、騒音打ち消し音が外耳道入口
２２に放音されて、騒音源からの騒音と音響的に合成さ
れ、外耳道入口２２において、混入する騒音が低減され
る。

【００３２】そして、外耳道入口２２の近傍において、
音響管１１に取り付けられた残差検出用マイクロホン１
３により、外耳道入口２２の騒音残差が収音される。こ
の残差検出用マイクロホン１４により収音された外耳道
入口２２の残差は、アンプ３７を介してＡ／Ｄコンバー
タ３８に供給され、デジタル信号に変換されて適応フィ
ルタ回路３３に供給される。この適用フィルタ回路３３
は、残差信号の出力パワーが最小となるようにその出力
信号を調整する。

【００３３】こうして、耳２１の外耳道入口２２におけ
るヘッドホンの再生音の放音空間における騒音が最小に
なるように、適応的に騒音低減される。

【００３４】図５は、図４の構成を伝達関数を用いたブ
ロック図で表したものである。図５において、Ｎは外部
騒音、Ｍ１はマイクロホン１４の伝達関数、γは適応フ
ィルタ３３Ｆの伝達関数、Ａはアンプ３６の伝達関数、
Ｈはヘッドホンドライバ１２の伝達関数、Ｍ２は残差収
音用マイクロホン１４の伝達関数、Ｆはヘッドホン１０
の遮音特性の伝達関数、Ｐは外耳道の音圧である。

【００３５】この図５において、適応フィルタ３３Ｆの
伝達関数γとして、Ｆ／ＡＨＭ１なる特性を与えること
により、外耳道において騒音Ｎの成分をキャンセルする
ことができる。前述したように、ヘッドホン１０の装着
の仕方によってヘッドホンの外耳道への伝達特性Ｈが変
わり、また、遮音特性Ｆも変わるので、γを上記の特性
で固定しまうと、従来例として説明したようにヘッドホ
ンの装着の仕方によって十分な騒音低減効果が得られな
い状態が生じることがある。

【００３６】しかしながら、この発明では、遮音特性Ｆ
やヘッドホン特性Ｈがヘッドホン１０の装着の仕方によ
り変化したときは、伝達関数γは、上述のように適応的
に変えられ、常に外耳道音圧Ｐが十分小さくなるように
適応システムが同定される。したがって、ヘッドホンの
装着の仕方に関係なく、常に、十分な騒音低減効果が得
られるようになる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、音源、筐体、鼓膜や耳介からの反射を生じないよう
に構成された音響管１１をヘッドホン筐体としたので、
頭内定位現象を生じないようにできると共に、聴感によ
る圧迫感がない。また、小型軽量にできると共に、音響
管を外耳道の入口に挿入して装着することができるの
で、装着による圧迫感がない。したがって、長時間装着
しても聴き疲れしないヘッドホンを実現できる。

【００３８】また、この発明によれば、ヘッドホンから
鼓膜への伝達特性が変わっても、適応処理により、その
変化に対応して特性を同定するので、常に十分な騒音低
減効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による騒音低減ヘッドホンの一実施例
の構成を示す図である。

【図２】適応騒音低減回路の概要を示す図である。

【図３】図２の例の適応フィルタ回路の一例のブロック
図である。

【図４】この発明による騒音低減ヘッドホンの回路構成
の一実施例のブロック図である。

【図５】図４の例を伝達特性で表したときのブロック図
である。

【符号の説明】

１１音響管１２ヘッドホンドライバ１３残差検出用マイクロホン１４騒音収音用マイクロホン１７音響抵抗体２１耳２２外耳道入口２３鼓膜３３適応フィルタ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外耳道とほぼ同一の内径を有し、一端側
が耳介への装着部とされ、他端側が音声のほぼ無反射端
となるようになされた音響管と、この音響管の管内に振動板が臨むように取り付けられた
発音体と、周囲の騒音を収音するように前記音響管に取り付けられ
た第１のマイクロホンと、外耳道入口の近傍の音声を収音するように前記音響管に
取り付けられた第２のマイクロホンと、前記第１のマイクロホンで収音した音声信号から前記外
耳道入口に混入する騒音に近似し、前記騒音とは逆相の
騒音打ち消し音声信号を形成する適応処理回路とを備
え、前記適応処理回路で形成した信号を前記発音体に供給し
て、前記外耳道入口近傍の騒音を低減すると共に、前記
第２のマイクロホンで収音した音声信号を前記適応処理
回路に供給し、前記第２のマイクロホンの出力音声信号
の出力パワーが最小になるように、前記適応処理回路が
その出力信号を調整するようにした騒音低減ヘッドホ
ン。
【請求項２】前記音響管の他端側に音響抵抗体が配さ
れてなる請求項１記載の騒音低減ヘッドホン。
【請求項３】前記第１のマイクロホンは、前記音響管
の音響インピーダンスに影響を与えない位置で、その振
動板を音響管の外部に向けて取り付けるようにした請求
項１記載の騒音低減ヘッドホン。
【請求項４】前記適応処理回路は、適応フィルタ回路
で構成され、適応処理はそのデジタルフィルタの加重係
数の更新の処理である請求項１記載の騒音低減ヘッドホ
ン。