JP2009020143A - ノイズキャンセルヘッドホン - Google Patents

Abstract

【課題】 ノイズの種類によってキャンセル量を変えることができるノイズキャンセルヘッドホンを提供する。
【解決手段】 周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成するキャンセルノイズ生成手段と、オーディオ信号と上記キャンセルノイズを混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおいて、上記騒音信号が目的音であるか否かを判定する判定手段とを有し、上記判定手段が、上記騒音信号を目的音であると判定した場合、上記キャンセルノイズ生成手段の処理を変えるよう構成されたノイズキャンセルヘッドホンによる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノイズの種類によってキャンセル量を変えることができるノイズキャンセルヘッドホンに関するものである。

従来、テーププレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＭＤプレーヤなどの携帯型の音楽プレーヤが普及し、最近ではハードディスク型やフラッシュメモリ型などの、より小型で大容量の携帯型音楽プレーヤが急速に普及しつつある。このような携帯型音楽プレーヤの普及に伴い、それに使用するヘッドホンもより高性能のものが求められ、さらに、街頭や乗り物の中で音楽を聴こうとする場合に、周囲の騒音に邪魔されることなく、音楽のみが聞こえるようにしたノイズキャンセルヘッドホンも望まれるようになってきた。音楽の再生音に混じって周囲の騒音が耳に入ると、ヘッドホンで再生される音楽が高音質のものであっても、騒音によってかき消されてしまい、高音質の音楽を楽しむことができなくなるからである。また、騒音の中で音楽を聴こうとすると、音量を上げて聞きがちになり、音量を上げることによってヘッドホンから外に向かって音漏れが生じ、乗り物などの中では周囲の人たちにとって不愉快な騒音源になるという問題もある。このような背景があって、ノイズキャンセルヘッドホンが普及し始めている。

現在市販されているノイズキャンセルヘッドホンの大半はアナログ方式のノイズキャンセルヘッドホンである。これは、ヘッドホンに組み込んだマイクロホンで周囲の音（再生音に対しては騒音であるから、以下「騒音」という）を捉え、捉えた騒音の位相を反転して、音楽プレーヤからの再生信号に混合する方式である。外部からヘッドホン内部に侵入する騒音は、位相が反転された信号で打ち消され、音楽プレーヤからの再生信号のみが使用者の耳に入るという仕組みである。その概要を、図５を用いて説明する。図５において符号４２で示すノイズＮは、ヘッドホンに装着されたマイクロホンで捉えられる周囲の騒音であって、アナログ回路４０が備えている位相反転器４４において位相を１８０度反転した−Ｎ’の信号となる。騒音信号の反転信号−Ｎ’と、プレーヤで再生される再生信号Ｓは混合器４６によって加算され、この加算された信号によって図示しない音響変換器すなわちスピーカが駆動される。ヘッドホン内部には騒音Ｎが回り込む。この回り込んだ騒音Ｎはその反転信号−Ｎ’と合成されて符号４８で示すようにＮ−Ｎ’の信号となり、騒音Ｎの大半は反転信号−Ｎ’でキャンセルされて、使用者はほぼ再生音Ｓのみを聴くことができる、という仕組みになっている。また、上記混合器４６の代わりに、騒音Ｎの逆位相の音を発生する信号音響変換素子（スピーカ）を設けて、騒音Ｎをキャンセルするものもある。

最近では、デジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンも提案されている。その例を図６に示す。図６において、符号５０はデジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンの主体をなすデジタル信号処理に特化したプロセッサ（以下「ＤＳＰ」という）を示す。ＤＳＰ５０は、ヘッドホンに組み込まれたマイクロホンで捉えられる騒音信号Ｎ（５２）を周波数分析する高速フーリエ変換器（以下「ＦＦＴ」という）５４と、ＦＦＴ５４で周波数分析することにより得られる周波数特性５６から、キャンセルする周波数帯域を選択する選択部５８と、選択された周波数帯域の信号を逆フーリエ変換して周波数選択されたキャンセル音信号−Ｎ’’を生成する逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）６０と、プレーヤによる再生信号Ｓと上記キャンセル音信号−Ｎ’’を加算して出力する加算器６４を備えている。ヘッドホンに回り込んで侵入する騒音Ｎは、上記キャンセル音−Ｎ’’と合成されてＮ−Ｎ’’の信号６６となり、騒音Ｎの大半はキャンセルされて、使用者はほぼ再生音Ｓのみを聴くことができる。

アナログ方式ノイズキャンセルヘッドホンの先行技術として、例えば、特許文献１、特許文献２記載の発明などがある。騒音Ｎの逆位相の音を発生する信号音響変換素子を設けた例として特許文献３記載の発明がある。デジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンの先行技術として、例えば、特許文献４記載の発明がある。

特開平１１―３０８６８５号公報 特開平１１―２３７８８９号公報 特開２０００―５９８７６号公報 特開平０９―９３６８４号公報

図５に示すようなアナログ方式ノイズキャンセルヘッドホンによれば、コイル（インダクタ）やコンデンサ（キャパシタ）及び抵抗を用いて位相を反転する回路を構成しているため、（１）位相を反転するときにパワースペクトルを正確に反転することができない、（２）位相を反転する時に、遅延を正確に実現することができない、すなわち、騒音に対して逆位相信号が遅延する、といった問題があり、結果として十分なキャンセル効果を得ることができない。

また、アナログ方式ノイズキャンセルヘッドホンは、キャンセルする騒音Ｎの特性に合わせて位相反転回路を設計するため、例えば利用者が特定の周波数帯域の騒音Ｎだけはキャンセルしたくない、または、一定音量以上の騒音Ｎだけをキャンセルしたいなどの多様な嗜好に合わせた回路設計をすることはできない。仮に、利用者が好みによってノイズキャンセル特性を設定・変更できるようにするならば、設定可能な数だけ位相反転回路が必要になり現実的な解決ではない。

図６に示すような従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンによれば、（１）ＦＦＴ及びＩＦＦＴにおいて計算に時間を要し、騒音Ｎの位相変化に対して計算結果の位相が対応せず、十分なキャンセル効果を得ることが出来ない、（２）騒音の周波数ごとにキャンセル音を計算するため、計算に長い時間を要し、計算時間を節約するために周波数帯域を狭めなければキャンセル効果を得ることができず、結果として十分なキャンセル効果を得ることができない。

そこで、本出願人は、周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号から将来発生する騒音信号を予測する予測手段と、予測した騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成するキャンセルノイズ生成手段と、オーディオ信号とキャンセルノイズを加算して信号音響変換素子に入力する加算器と、を備えるジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンに関して先に特許出願した（特願２００５−１４５８６８参照）。

また、本出願人は、ヘッドホンを装着した状態では、ヘッドホンの筐体が高音領域（高い周波数領域）において遮音効果を持ち、ヘッドホンの筐体を回り込んで耳に伝わる騒音は低音領域であることに着目し、騒音信号の予測量を減らすことで、予測処理を高精度かつ高速に行えるようにするために、低音領域についてノイズキャンセルするノイズキャンセルヘッドホンに関して先に出願した（特願２００５−３７７１９３参照）。

また、本出願人は、上記ノイズキャンセルヘッドホンの騒音信号予測処理について、ＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを用いてリアルタイム処理行なう際に、騒音信号を１回サンプリングするごとに将来に向かってＮ回目のサンプリングまで予測することができるようにし、予測精度を高める一方、予測処理に必要なデータ量の低減を可能にして、小規模の処理デバイスでも迅速な処理を可能にした実用性の高いノイズキャンセルヘッドホンに関して先に出願した（特願２００６−００６２５１参照）。

また、本出願人は、上記の先に出願したノイズキャンセルヘッドホンについて、さらに再生音を高音質で出力するため、また、利用者の嗜好によるキャンセルする騒音Ｎの周波数帯域を任意に設定変更でき、かつ、駆動電源電圧が低下した場合であっても少なくとも再生信号はスピーカから出力することができるデジタル方式のノイズキャンセルヘッドホンに関して先に出願した（特願２００６−２０２３３４参照）。

しかし、本出願人による上記先の特許出願にかかるノイズキャンセルヘッドホンにおいて未解決の課題がある。上記ノイズキャンセルヘッドホンは、効率的にキャンセルノイズを生成し、騒音Ｎを打ち消すことを目的としている。このため、マイクから拾った周囲の騒音の全てについてキャンセル対象と見なしている。しかしながら、周囲の騒音には、車の騒音などと共に、注意を促す人の声や車のブレーキ音などの突発音も含まれる。これらの周囲音は、キャンセルされてしまうと危険な音（以下「目的音」という）である。従って、目的音はキャンセルせずに、その他の騒音のみをキャンセルすることが必要である。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、上記課題を解決するために、騒音Ｎが目的音である場合には、ノイズキャンセル機能を切り換えて、目的音以外の騒音Ｎのみをキャンセルするようにすることができるノイズキャンセルヘッドホンを提供することを目的とする。

本発明は、周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成するキャンセルノイズ生成手段と、オーディオ信号と上記キャンセルノイズを混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおいて、上記騒音信号が目的音であるか否かを判定する判定手段とを有し、上記判定手段が、上記騒音信号を目的音であると判定した場合、上記キャンセルノイズ生成手段のキャンセルノイズ生成処理を変更するよう構成されていることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、デジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンにおいて、キャンセルするノイズの周波数特性によって目的音であるか否かを判定することができるので、人の声やブレーキ音などキャンセルすると使用者に危険な周囲音はキャンセルせずに、その他の騒音のみをキャンセルすることができる。

以下、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンの実施形態について、図を用いて説明する。図１は左右一対で構成されるノイズキャンセルヘッドホン筐体の片側のみを示した概略図である。図１において筐体１には、当該ノイズキャンセルヘッドホンの利用者の周囲のノイズＮ（５２）がマイク１０によって集音されるように筐体１の一部に設けた貫通孔２０と、筐体１の外側に向けて設置されているマイク１０と、マイク１０が集音したノイズＮに対してノイズキャンセル信号を生成し、音源から入力された再生信号Ｓと生成したノイズキャンセル信号とを混合して出力するＤＳＰ５１と、ＤＳＰ５１の出力を利用者の耳１００に向けて出力するスピーカ３０が備わっている。また、筐体１にはＤＳＰ５１の駆動電源である図示しない電池が収まっている。

図１に示すように、マイク１０をスピーカ３０の反対側、すなわち、外側に向かって設置することにより、スピーカ３０から出力される再生音をマイク１０が集音することなくハウリングの発生を防ぐことができ、かつ、スピーカの周波数特性を犠牲にすることなく、高音質のノイズキャンセルヘッドホンを得ることができる。

次に、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンのノイズキャンセル処理の実施形態について図を用いて説明する。図２は、本発明に係るノイズキャンセルヘッドホンの筐体１に収められるＤＳＰ５１の機能ブロック図である。図２において、ＤＳＰ５１は、マイク１０（図１参照）が集音したノイズＮ５２を周波数分析する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）５４と、ＦＦＴ５４で周波数分析することにより得られる周波数特性が目的音であるか否かを判定する手段である目的音判定部５７と、あらかじめ決められたＦＩＲフィルタ係数とノイズＮとの積和演算によりキャンセル信号を生成する積和演算器５９と、積和演算器５９が生成したキャンセル音信号−Ｎ’’と、再生信号Ｓを混合して出力する加算器６４を有する。このように、加算器６４は混合器として機能する。

ヘッドホンに回り込んで侵入するノイズＮ５２は、加算器６４からの出力と合成されてＮ−Ｎ’’の信号となり、ノイズＮ５２の大半はキャンセルされて、使用者はほぼ再生音Ｓのみを聴くことができる。なお、図２では、加算器６４がＤＳＰ５１のブロック内に記載されているが、加算器６４がアナログ回路で構成される場合は、一般的にＤＳＰ５１外に設けられる。

次に、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンにおけるノイズキャンセル処理の流れを図３のフローチャートを用いて説明する。まず、マイク１０から入力されたノイズＮ５２に対してＦＦＴ５４による周波数分析処理（２０１）を行う。この処理によって得られるノイズＮ５２の周波数特性が目的音に相当するものであるか否かを判定する（２０２）。

目的音判定処理（２０２）は以下により行なうことができる。一般に人の声の周波数特性には、高調波成分が含まれている。また、定常雑音（オフィスの空調音や雑踏の音）の周波数特性には、人の声のような高調波成分が含まれず、比較的低周波成分が多く含まれる。これらを元に、例えばノイズＮ５２の周波数特性に高調波成分が含まれており、また、人の声の周波数帯域における周波数成分が多く存在するならば、このノイズＮ５２は人の声であると判定することができる。また、ノイズＮ５２の周波数成分に高調波成分が少なく（あるいは全くなく）低周波成分が多いならば、このノイズＮ５２は定常雑音であると判断することができる。

例えば人の声や車のブレーキ音などは、ノイズキャンセルヘッドホンの使用者に対して注意を促す場合が多いので、これらの音をキャンセルして使用者に聞こえないように処理することは望ましくない。これらの音を目的音として、所定の周波数帯域のキャンセル量を低減したキャンセル信号を生成するような処理を行なう。また、ノイズＮが定常雑音であれば、従来通りのキャンセル処理を行なう。目的音であるか否かの判定は、ノイズＮ５２の周波数特性によって行なうことができる。例えば、所定の高調波成分が存在するか否かによって判定することができる。判定に使用する閾値は、ＤＳＰ５１の図示しない記憶手段に記憶するパラメータを用いる。また、判定処理は、全周波数帯域に周波数成分が存在するか否かによって行なうこともできる。全周波数帯域に周波数成分が存在する場合は、ブレーキ音などの突発音である可能性が高いので、全周波数帯域に周波数成分が存在する場合は、目的音であると判定する。

目的音判定部５７が、当該ノイズＮ５２は目的音であると判定した場合（２０２のＹ）、予め決められた目的音以外の帯域を消音させるフィルタ係数１を用いてノイズＮ５２との積和演算処理を行なう（２０３）。目的音判定部５７が、目的音ではないと判定した場合、予め決められたフィルタ係数２を用いてノイズＮ５２との積和演算処理を行なう（２０４）。次に上記積和演算処理（２０３または２０４）の結果を用いて、キャンセル音信号−Ｎ’’を生成する（２０５）。

上記フィルタ係数１は、例えばノイズＮ５２が人の声である場合に、人の声以外の他の周波数帯域成分に対するキャンセル信号を生成するためのフィルタとして機能させるものである。

上記生成されたキャンセル音信号−Ｎ’’すなわち、ノイズＮの信号の逆位相信号を加算器６４において再生信号Ｓと混合し、スピーカ３０に出力する（２０６）。

上記のように、マイク１０が捉えたノイズＮの周波数特性に応じたノイズキャンセル処理を切替えることができ、利用者の周囲雑音に含まれるキャンセルすると危険な音はキャンセルせず、不要なノイズのみをキャンセルすることができるようになる。

次に、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドホンの別の実施例について図４のフローチャートを用いて説明する。すでに説明した図３に示したノイズキャンセル処理と同様に、先ずノイズＮ５２の周波数分析処理を行なう（３０１）。次に、ノイズＮ５２の周波数特性が所定の周波数特性と合致するか否かを判別することで、当該ノイズＮが目的音であるか否か判定する（３０２）。ノイズＮが目的音であると判定された場合（３０２のＹ）、フィルタ処理を行なわず、キャンセル信号の生成及び出力も行なわない。ノイズＮが目的音ではないと判定された場合（３０２のＮ）、ノイズＮ５２とあらかじめ決められたフィルタ係数との積和演算をするフィルタ処理を行なう（３０４）。上記フィルタ処理の結果を用いてキャンセル音信号−Ｎ’’を生成し（３０５）、生成されたキャンセル音信号−Ｎ’’すなわち、ノイズＮの信号の逆位相信号を加算器６４において混合して、スピーカ３０に出力する（３０６）。

上記のように、マイク１０が捉えたノイズＮ５２を用いてノイズキャンセル処理を行なうことができるので、ノイズＮ５２の特性に合わせて、目的音はキャンセルしないようにすることができる。

本発明に係るノイズキャンセルヘッドホンの構造の例を示す概略図である。 上記ノイズキャンセルヘッドホンに搭載される処理回路の例を示すブロック図である。 上記ヘッドホンのノイズキャンセル処理の例を示すフローチャートである。 上記ヘッドホンのノイズキャンセル処理の別の例を示すフローチャートである。 従来のアナログ方式ノイズキャンセルヘッドホンの例を示すブロック図である。 従来のデジタル方式ノイズキャンセルヘッドホンの例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 筐体
１０ マイク
３０ スピーカ
５１ ＤＳＰ
１００ 耳

Claims (8)

1. 周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成するキャンセルノイズ生成手段と、オーディオ信号と上記キャンセルノイズを混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおいて、
   上記騒音信号が目的音であるか否かを判定する判定手段と、を有し、
   上記判定手段が、上記騒音信号を目的音であると判定した場合、上記キャンセルノイズ生成手段のキャンセルノイズ生成処理を変更するよう構成されていることを特徴とするノイズキャンセルヘッドホン。
2. 上記判定手段は、騒音信号に高調波成分が存在する場合に目的音であると判定することを特徴とする請求項１記載のノイズキャンセルヘッドホン。
3. 上記判定手段は、騒音信号に全周波数帯域の成分が存在するか否かで目的音であるか否かを判定するものであり、全周波数帯域成分が存在する場合に目的音であると判定することを特徴とする請求項１記載のノイズキャンセルヘッドホン。
4. 上記キャンセルノイズ生成手段は、ＦＩＲフィルタを用いてキャンセルノイズを生成するよう構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載のノイズキャンセルヘッドホン。
5. 上記ＦＩＲフィルタは、上記判定手段が目的音であると判定した騒音信号の周波数成分は減衰させないよう構成されている請求項４記載のノイズキャンセルヘッドホン。
6. 上記マイクロホンは、ヘッドホン筐体内であって上記信号・音響変換素子から出力される信号による音響空間外に設置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のノイズキャンセルヘッドホン。
7. 上記ヘッドホンは、ヘッドホンユニットを左右に有するステレオヘッドホンであって、左右のヘッドホンユニットにマイクロホンを備え、このマイクロホンで変換される騒音信号に基づき、キャンセルノイズ生成手段がキャンセルノイズを生成し、左右のヘッドホンユニットごとにそれぞれのオーディオ信号と上記キャンセルノイズを混合する混合器を備えている請求項１乃至６のいずれかに記載のノイズキャンセルヘッドホン。
8. 周囲の騒音を電気信号に変換するマイクロホンと、マイクロホンで変換される騒音信号の位相を反転させてキャンセルノイズを生成するキャンセルノイズ生成手段と、上記騒音信号が目的音であるか否かを判定する判定手段と、オーディオ信号と上記キャンセルノイズを混合して信号・音響変換素子に入力する混合器と、を備えるノイズキャンセルヘッドホンにおけるノイズキャンセル方法であって、
   ヘッドホン筐体内であって上記信号・音響変換素子から出力される信号による音響空間外に設置されているマイクロホンが捉える騒音信号が目的音であるか否かを上記判定手段で判定するステップと、
   判定手段が目的音であると判定した騒音信号を用いてキャンセルノイズを生成するステップと、
   生成されたキャンセルノイズとオーディオ信号を混合するステップとを有することを特徴とするノイズキャンセル方法。

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