JP2003526122A - 耳に近接するスピーカ音声の可聴性を改善する方法、ならびに該方法を使用する装置および電話機 - Google Patents
耳に近接するスピーカ音声の可聴性を改善する方法、ならびに該方法を使用する装置および電話機Info
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Abstract
Description
関する。排他的ではないが特に、騒がしい環境において伝搬された音声をより効
果的に聴取者が聞き取ることが可能な、電話およびヘッドホンの音響ノイズ除去
を提供する改善された方法に関する。また本発明は、前記方法を使用する装置に
も関する。
ロホンのようなトランスデューサによって受信し、その結果生じる信号をスピー
カまたは同様のアクチュエータから反転して出力することにより、ピックアップ
用マイクロホンから少し離れた位置における元の音響ノイズ信号と混合するもの
である(S J エリオット、P A ネルソン著、“能動的音声制御(The ac
t5ve control of sound)”、Electronics and Communication Engineering Jou
rnal、1990年8月、p.127−136に、有用な参照文献一覧が含まれて
いる)。それは様々な適用例について何年にもわたって採用されたが、その成否
はまちまちだった。例えば、産業オフィス環境を静かにするために使用されうる
大規模なノイズ除去装置が試みられたことがあったがほとんど成功しなかった。
その問題点は、空間内のある一点におけるノイズを除去することは理論的に可能
である一方で、不要な信号の大きさと位相が空間内の他の点で一致しないために
、それらの点まで除去効果が持続しないことにある。除去点から離れて全体から
みれば除去信号そのものが騒音レベルの原因となってしまうのである。
耳から離れた場所に位置するスピーカに基づくシステムと、(b)耳から近接し
た場所に位置するスピーカに基づくシステム(国際公開第95/00946号に
開示されているようなヘッドホンに基づくシステムを含む)である。本発明は後
者のカテゴリーに関連する。
ムを組み込むことを検討していた。この場合(たとえばドライバーのそれぞれの
耳のように)除去点が明確で、様々な距離だけ離れたスピーカにより直接利用で
き、耳に届く信号の大きさや位相が明確であるため、これは理にかなったアプロ
ーチであった。同様のシステムは航空機にも検討された。
より長いために、短い波長のものより単位距離あたりの振幅変化が少ないからで
ある。
ヘッドホンを発表した。WARP(tm)とは、(Wave Adaptive
Reduction Principle:波形適応減衰原理)の意味である
。これらは、(a)耳介の縁周辺に位置するパッド状のカラーに駆動ユニットが
置かれて耳を覆う従来の形式と、(b)イヤホン形式の2つの形式で利用可能で
ある。さらに最近では、ソニー社はパッド・オン・イヤ形式のヘッドホンも発表
した(MDR−NC5)。
品が製造されている。ゼンハイザー社は、HDC451のような様々な種類のア
クティブ・ノイズ除去ヘッドホン製造している。米国スタンフォードのNCT社
には“ノイズバスター”ヘッドホン・システムがある。
)ヘッドホン・シェルに、ヘッドホン駆動ユニットとノイズピックアップ外部マ
イクロホンを搭載し備えている。マイクロホンはヘッドホン・シェル・アセンブ
リの外側のバックグランド・ノイズを記録し、それを反転増幅器に供給する。こ
の反転増幅器からの出力は、ヘッドホン駆動段で音楽信号に加えられて(すなわ
ち合計されて)、結果として得られるヘッドホン・シェル内部のノイズ関連信号
は、ヘッドホン・シェルを直接通過しておよびその周りから浸透してくるバック
グランド・ノイズのそれと同じ大きさで逆位相となる。
またはシェルを回り込む音響伝達の変化を可能とするためには、可変量のノイズ
除去信号を提供し、これによりユーザがポテンショメータまたは同様の機器を調
整することにより、ノイズ除去の動作を制御し最適化できるようにすることが有
益である。この方法では、マイクロホンがノイズ除去音響駆動ユニット(ヘッド
ホンのアクチュエータ)と近接していることが前提となる。もし仮にマイクロホ
ンがヘッドホン・シェルから離れた他の場所へ設けられているとすれば、ノイズ
除去信号は、シェル内部で消去されるべきノイズとは異なったものになり、効果
が低下するだろう。そして実際に極端に騒音レベルが増大するだろう。
本発明の第2の態様である装置は請求項6から請求項10までに請求される。本
発明の第3の態様であるノイズ除去システムにおけるプログラム可能なフィルタ
の伝達関数をプログラムするためのシステムが請求項11に請求される。
話のような電話機およびヘッドホンにおける、改善された周囲の音響ノイズ除去
方法であり、これにより聴取者は発信された音声を騒がしい環境においてより効
果的に聞き取ることが可能となる。それは、入力ノイズ信号と音声装置のトラン
スデューサによって作られる音響信号の双方が、頭部および耳がスピーカまたは
イヤホンに接近していることにより音響的に変化するという認識に基づいている
。本発明はこれらの影響を補償する方法を提供する。
性に最適に適合するために、前記の補償のためのパラメータをカスタマイズする
手段を提供する。
・シェル内部に出力される信号は線形的な関係にある、すなわち単純に利得係数
によって関係付けられていると仮定されている。以下にこの仮定が正当でないこ
とを示す。
除去周波数範囲を1kHzより低くすることも製造業者によく行われており、製
造業者の仕様書の中に見ることができる。多くの場合、より低い周波数の方が取
り扱いが面倒である。それは第1に、例えば航空機キャビン内の騒音のような工
業騒音の本質は低周波ノイズであり、第2に低周波ノイズは簡単に反射したり散
乱したりせず、構造物をすぐ回り込んで回折するため、高周波ノイズよりも構造
物に浸透しやすいからである。
的であるが、とはいえ、500Hzから5kHzの範囲に気に障る周囲ノイズが
多いために、先行技術のヘッドホンは決して効果的ではない。本発明はこの問題
を低減することができ、そしてノイズを低減または除去する周波数を5KHzか
それ以上にあげる手段を提供する。
下に記載される。
配される音響上の変化を初めに説明する。発明者が認識している限りにおいて、
従来、これらの現象はどれもノイズ除去との関連において考慮されていない。
ォンのような小型マイクロホン(3)を左右それぞれのシェル・ユニットの外側
部分に配置することが知られており(図1)、そしてこれがノイズ除去参照信号
を与える。このタイプのマイクロホンには原則的に全方向型のものが使用される
。通常、マイクロホンは頭部側面から約5cmだけ間隔があけられている。結果
としてマイクロホンは2つの音源に有効に支配される。第1には、入力される周
囲のノイズであり、第2には頭部側面からの後方反射波である。これら2つの波
は足し合わされて増強および減衰される。その結果として、減衰する初めの(低
い)周波数は、2つの波が正確に逆位相になったときであり、それらの相対移動
が波長の2分の1に相当するときである。したがって例えば、マイクロホンと頭
部の間隔が5cmであれば、移動経路の全長はこの2倍の値(例えば10cm)
であり、したがって減衰する干渉が発生するのは波長が20cmのときであり、
対応する周波数はおよそ1.7kHzである。
と仮定されている。実際の周囲ノイズは(全ての方向に同じエネルギーを有する
)散乱した音場のように与えられやすく、軸上に正しく載らずに全ての方向から
到達する。これらはコム・フィルタリング(comb−filtering)効
果を減少するが、それにも関わらずコム・フィルタリング効果はまだ存在する。
前記効果は、通常の発生率を有する音源により、図1に従って搭載されたエレク
レット・マイクロホンを使用して計測された図2のスペクトルプロット図に示さ
れる。最初の干渉の谷が2kHzより低い周波数に見られ、2番目の谷が約4k
Hzに見られることに注目されたい。最初の干渉のピークは明らかに約3kHz
に見られる。
保持または搭載されているときに音響中空(cavity)が形成される。これ
は主たる外耳の中空(コンカ:concha)よりなり、音声装置それ自身の硬
い反射面によって部分的に境界づけられている。これは特にパッド・オン・イヤ
形式の音声装置に採用されている(耳を覆う形式のものはいくらか共鳴を減衰さ
せがちである)。
動し、および(b)周囲の音響ノイズが同じ共鳴中空内に漏れる。その2つの経
路の音響インピーダンスは非常に異なるので、その効果は必ずしも同じではない
。その実際の大きさのためにその中空は数kHzで最も強く共鳴するので、入力
ノイズ信号はこの周波数において効果的に強化されることになる。
なれば、コンカを境界付ける電話の表面の性質および近付き具合(程度は小さい
が)と同様に、異なる共鳴周波数およびQ因子をなす。
下により作られる。フィルタリングはオペアンプと既知のフィルタ構成を使用し
てアナログ分野によっても実現可能であるし、好適には有限インパルス応答(F
IR)または無限インパルス応答(IIR)フィルタ(4)を使用してデジタル
分野でも実現可能である。後者はより良い制御を可能にし、ユーザによる再構築
を可能にする。
ad)を使用して計測した2つの耳伝達特性(Ear Transfer Ch
aracteristics)を示す。第1は、音源として小さなスピーカを使
用してインパルス法により計測した、1つの耳の自由音場特性である。該スピー
カはB&Kヘッドの右耳の軸上に、実質的に定常波の発生を避けるために0.6
mの間隔を隔てて置いたものである。これは基本的に90°の頭部伝達関数(H
RTF)の“近位耳(near−ear)”応答となる。次にセル電話(エリク
ソン社のA−1018S形式)は人工ヘッドの耳部の、ユーザが電話の音声を聞
こうとするとき保持される位置に保持する。そして計測を繰り返し、図3に示す
第2の組の特性を得る。図3のプロットはいずれもスピーカの傾向は修正されて
おり、かつB&K社の人工ヘッドのマイクロホンの傾向をごくわずかである点に
注意されたい。部分的にコンカを閉塞する効果は見て明らかである。セル電話は
約5.5kHzにあった第1番目のコンカ内の共鳴を妨害し、約2.4kHzに
新しい共鳴のピークを作り、そして4kHzから11kHzの間の高周波を遮蔽
している。
ホンは、(非常にスムースで、20Hzから20kHzの間で基本的に平坦な周
波数応答を有する)B&K社の4006型スタジオ標準マイクロホンとは対照的
な特性を示す。これは、これらのマイクロホンが信号処理チェインに出力するス
ペクトル量の傾向を示すものである。計測は、静かな環境下においてインパルス
法を用いて行う。マイクロホンのスペクトル特性を図4に示す(計測に使用した
スピーカの傾向もまた除去されていることに注意されたい)。このような安価な
コストのものとしては、マイクロホンは比較的平坦なレスポンスである。
けられた、関連する伝達関数を示す。関数Lは外部の音場からシェル体を通過す
る、およびクッションの縁の周囲から平行する漏れを経由する音響的な経路の全
体を示す。移動電話の場合、受話器が緩く耳介に接しているだけなので、前記2
者のうち後者の方が支配的となる。関数Mは、外部の周囲ノイズ信号をピックア
ップするために使用される外部マイクロホンのスペクトル特性を示し、周囲のノ
イズ信号には前述したような頭部に接近していることによって生じた関連する音
響変化(コム・フィルタリング)を含む。関数Dは、電気的トランスデューサ駆
動ユニットを経由する外耳の中空への伝達関数全体を示す。関数Fは、最適化さ
れたノイズ除去を行うためにDに直列に使用される個別の信号処理フィルタを示
す。ここに、それぞれの信号経路を定義して、最適な除去を行うために望まれる
伝達関数Fを計算することが可能である。
を{入力}と表すとすると、中空内の周囲ノイズは式(1)で表される。
。
ものが、キャビティ内のノイズ信号と同じ大きさで逆位相の信号を届けなければ
ならないとする。
求められるフィルタ関数[F]が定義される。
るコム・フィルタリング効果を含んでいる典型的なマイクロホンの特性Mは、図
2に示され、セル電話の周囲漏洩特性Lは図3中に示されている(“セル電話を
示す”)。明らかに、求められるフィルタリングFは、様々な物理的因子に依存
しており、それらの大きさや構成によって大きく変化する。典型的なフィルタの
因子Fの特性を図示するために、以下の例は、パッド・オン・イヤ形式のヘッド
ホン(これは外耳との相互作用という点に関してセル電話と類似しており、かつ
電気的に容易に利用できるものである)に関するデータを使用する。
式ヘッドホンを使用して得た測定データを示す。音響的漏れは、前述したセル電
話のときと同様の方法で得ており、電気音響伝達関数は、音声装置に直接インパ
ルス信号を加えて、当該人工ヘッドのマイクロホンからの信号を測定することに
より得た。この特定の音声装置の特性は比較的平坦であるがこれは全く珍しいこ
とである。
[F]を示す。見ての通り周波数のスケールが0から10kHzまでしか伸びて
いないことに注意されたい。これは耳に電話を当てるときに、日々物理的に差異
が生ずることと、電話技術の現在の限界が4kHzであることに鑑みて、これが
実際の動作範囲としたものである。図7にプロットされたデータは、その計算の
ために使用された多数の音源の組合せによるいくつかのノイズを蓄積したもので
あるが、次に述べるいくつかの主な特徴が見られる。(a)0から600Hzの
間で10dBの低下があり、(b)600Hzから2kHzの間に平坦な領域が
あり、および(c)2kHzから4kHzの間に広い谷がある。しかし、これら
にはあまり重要性がない。この特定な形状において、もし重要性がいくらかある
としたら、それは単にその構成要素の因子の組合せである。
あるのみならず、対応する位相特性を有してなければならないことが理解される
であろう。これらは、FIRフィルタかIIRフィルタを使用することで達成さ
れうる。
に合致させるために物理的に関連するパラメータは調節可能である。これは(a
)前記の漏れ特性および特に共鳴のピークの大きさと位置(図3および6の一部
)、ならびに音声装置から耳への電気的音響伝送特性(図6)に適用する。
,058,481)に記載された、フィルタのパラメータの修正するための“仮
想耳(virtual ear)”テイラリング(tailoring)形式のアプローチを可能にす
る。一連の設定試験または代替的には予めセットされた値の範囲のうちどちらか
をユーザに提供し、そして設定を切り換えて最良のものを選択することができる
(おそらく後者の方が便利である)。音声装置または音声装置内に存在する処理
手段から離れて位置するコンピュータは、設定を行って(設定を最適化し)そし
て個々のユーザのためのパラメータをプログラムすることが可能である。最後の
補償フィルタ[f]も音声装置の寸法および構造に依存するので、この点で異な
る形式の音声装置は若干異なる特性を有すると思われる。しかしこれらを測定お
よびプログラムすることは重要なことではない。外部のコンピュータを使用する
ことにより、個別の音生成手段によって十分に最適化を行うための(ホワイトノ
イズまたはピンクノイズのような)広いバンドの周波数が存在する周囲ノイズ信
号を有利に提供することができる。
は、セル電話上の外部マイクロホンによってピックアップされ、それは(反転因
子を含む)補償フィルタFによって処理される。次にゲイン調整段に送られ、こ
れによりユーザが除去レベルを良く調節することができ、さらに加算増幅器に送
られ、その後音声装置内部のスピーカに送られる。音声装置の内部音源(例えば
、無線受信機)は、加算増幅器に信号を供給する。マイクロ・コントローラ集積
回路は、補償フィルタFのパラメータの制御に使用されており、前記の通りパラ
メータは個々の外耳の特性に合わせて調整されることが可能である。次にマイク
ロ・コントローラは電話のキーパッドに接続され、これによりユーザは、必要な
調整(前記のゲイン調整を含む)を行うことができる。
ブロック図である。システムは実質的には図8に示したものに、音声装置のマイ
クロ・コントローラにデジタル接続したパーソナル・コンピュータを加えたもの
であり、前記デジタル接続はシリアルもしくはパラレルケーブルにより直接的に
、または無線的もしくは光学的手段により間接的に設けられる。ユーザは(遠く
の呼出者を表す)テスト信号を音声装置のスピーカから聞いている間、コンピュ
ータは周囲ノイズ信号を作り、そのスピーカの1つにこれを供給する。フィルタ
のパラメータを調節することにより、また代替的にいくつかの利用可能はフィル
タ機能を選択することによって、ユーザは、自らの個人的な生理学的な特性に最
適な信号処理構成を設定することができる。聴取者の頭部のすぐ近くの不便な位
置にある音声装置の小さいキーパッドよりも、マウスまたはカーソル制御キーに
よって、より正確な調節コントロールが可能なので、パーソナル・コンピュータ
の使用が便利である。もちろん、代替実施例としてマイクロ・コントローラをそ
れ自身のプログラミングを行うために使用することとしてもよい。コンピュータ
を個々の選択を保存するために使用し、もっと高度なセル電話との相互作用方法
を提供することとしてよい。図8および図9の双方において、信号処理装置は参
照番号5で示されている。
る。
す図である。
。
れについて計測された伝達特性を示す図である。
る。
るためのシステムを示す図である。
本発明の第2の態様である装置は請求項6から請求項9までに請求される。本発
明の第3の態様であるノイズ除去システムにおけるプログラム可能なフィルタの
伝達関数をプログラムするためのシステムが請求項10に請求される。
Claims (11)
- 【請求項1】 他の音源から届く周囲の音響ノイズを、対応する周囲の音声
信号を与えるトランスデューサ(3)を用いて検知し、 前記の周囲の音声信号の極性を反転し、および 前記の周囲の音声信号とスピーカに供給される信号とを混合して前記周囲の音
響ノイズの可聴性を低減することを備えた、耳(2)に近接して位置するスピー
カ(1)からの音声の可聴性を改善する方法において、 該方法は、使用している聴取者の耳にスピーカが近接していることにより生じ
た、スピーカから耳に伝わる音声のスペクトル変化を補償する伝達関数を有する
フィルタ(4)を経由して前記周囲の音声信号を通過させることを含むことを特
徴とする方法。 - 【請求項2】 他の音源から届く周囲の音響ノイズを、対応する周囲の音声
信号を与えるトランスデューサ(3)を用いて検知し、 前記の周囲の音声信号の極性を反転し、および 前記の周囲の音声信号とスピーカに供給される信号とを混合して前記周囲の音
響ノイズの可聴性を低減することを備えた、耳(2)に近接して位置するスピー
カ(1)からの音声の可聴性を改善する方法において、 該方法は、使用している聴取者の頭に前記トランスデューサが近接しているこ
とにより生じた、前記検知した周囲の音響ノイズのスペクトル変化を補償する伝
達関数を有するフィルタ(4)を経由して前記周囲の音声信号を通過させること
を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項3】 前記伝達関数が、使用している聴取者の頭に前記トランスデ
ューサが近接していることにより生じた、前記検知した周囲の音響ノイズのスペ
クトル変化をも補償する請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記伝達関数が、予め定められている請求項1から3のいず
れか一項に記載の方法。 - 【請求項5】 前記伝達関数が、使用の際にユーザによる選択が可能な複数
の伝達関数の1つである請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項6】 フィルタ(4)を含む、周囲の音響ノイズを低減する手段を
有するヘッドホン・システムであって、 前記フィルタは、使用している聴取者の耳にヘッドホンが近接していることに
より生じた、ヘッドホンから耳(2)に伝わる音声のスペクトル変化を補償する
伝達特性を有するヘッドホン・システム。 - 【請求項7】 周囲の音響ノイズを検知するトランスデューサ(3)および
フィルタ(4)を含む、周囲の音響ノイズを低減する手段を有するヘッドホン・
システムであって、 前記フィルタは、使用している聴取者の頭に前記トランスデューサが近接して
いることにより生じた、前記検知した周囲の音響ノイズのスペクトル変化を補償
する伝達特性を有するヘッドホン・システム。 - 【請求項8】 スピーカ(1)および、フィルタ(4)を含む周囲の音響ノ
イズを低減する手段を有する電話機であって、 前記フィルタは、使用している聴取者の耳にヘッドホンが近接していることに
より生じた、スピーカから耳(2)に伝わる音声のスペクトル変化を補償する伝
達特性を有する電話機。 - 【請求項9】 周囲の音響ノイズを検知するためのトランスデューサ(3)
および、フィルタ(4)を含む周囲の音響ノイズを低減する手段を有する電話機
であって、 前記フィルタは、使用している聴取者の頭に前記トランスデューサが近接して
いることにより生じた、前記検知した周囲の音響ノイズのスペクトル変化を補償
する伝達特性を有する電話機。 - 【請求項10】 前記伝達特性は、使用している聴取者の頭に前記トランス
デューサが近接していることにより生じた、前記検知した周囲の音響ノイズのス
ペクトル変化をも補償する請求項8に記載の電話機。 - 【請求項11】 耳(2)に近接して位置するスピーカ(1)からの音声の
可聴性を改善するためのノイズ除去システム内の、プログラム可能なフィルタ(
4)の伝達関数をプログラムするためのシステムであって、該システムは、 周囲の音声信号を検知するために前記スピーカに近接して位置するトランスデ
ューサ(3)、 前記の周囲の音声信号の極性を反転しおよび前記の周囲の音声信号とスピーカ
に供給される信号と混合する手段を含む信号処理手段(5)、 スピーカから離れた位置にあり、ある範囲の周波数にわたって周囲の音声を生
成する音源、ならびに プログラム可能なフィルタ内にプログラムされることが可能であり、使用の際
にユーザが最適な伝達関数を選択することが可能な複数の伝達関数を提供する制
御手段を含むシステム。
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