JP2011040831A - デジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲の騒音を打ち消して音楽のみを聞くことができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法において、環境雑音が小さいときであっても内部雑音の影響を排除し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるデジタルノイズキャンセルホン及びデジタルノイズキャンセル方法を得る。
【解決手段】 マイクロホン、Ａ／Ｄ変換器、デジタル信号処理装置、Ｄ／Ａ変換器、ミキサ及びスピーカを有し、デジタル信号処理装置が、キャンセル信号生成手段と、レベル検出手段と、レベル決定手段と、キャンセル信号レベル調整手段と、を有するデジタルノイズキャンセルホン
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法に関するものであって、詳しくは、環境雑音が小さいときであっても内部雑音の影響を排除し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができるデジタルノイズキャンセルホン及びデジタルノイズキャンセル方法に関するものである。

環境雑音をキャンセル音によって打ち消しつつ、再生された音楽を聴くことができるノイズキャンセルヘッドホンが知られている（例えば特許文献１を参照）。
特許文献１に示すように従来のノイズキャンセルヘッドホンは、ヘッドホン筐体に取り付けられたマイクロホンユニットによって集音される周囲の騒音を電気信号に変換し、この環境雑音を元にヘッドホン筐体を通過して利用者の耳に聞こえる騒音を打ち消すキャンセル信号を生成し、このキャンセル信号を再生する音楽とともにヘッドホンスピーカユニットから出力するように構成されている。
特開第２５６２７０８号公報

このような従来のノイズキャンセルヘッドホンは、キャンセル信号を生成する回路から発生する内部雑音が、キャンセル信号とともに音楽信号に混合されてスピーカから出力される。
環境雑音が比較的大きいときには内部雑音が耳障りになることはないが、キャンセル信号によって環境雑音が打ち消されて小さくなると、環境雑音の大きさに関わらず発生する内部雑音が相対的に大きくなり、利用者に聴こえる状態となる。

従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンを例に用いて、環境雑音と内部雑音の関係を説明する。図５は、従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおける機能ブロックの例である。デジタルノイズキャンセルヘッドホン１０は、環境雑音を電気信号に変換するマイクユニットであるマイク１１と、マイクアンプであるアンプ１２と、電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ・デジタル変換器）１３と、キャンセル信号を生成して出力する信号処理を行うデジタル信号処理装置（以下「ＤＳＰ」とする）１４と、ＤＳＰ１４から出力されるキャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ１５（デジタル・アナログ変換器）と、音楽ソースＭから供給される音楽信号とＤ／Ａ１５から出力される電気信号を混合して出力するミキサ１６と、混合された信号用のアンプであるアンプ１７と、混合された信号を出力するスピーカユニットであるスピーカ１８と、を有している。

ここで、マイク１１の伝達関数を「Ｍ」、アンプ１２とＡ／Ｄ１３とＤＳＰ１４とＤ／Ａ１５とミキサ１６の合成伝達関数を「ＰＣＢ」、アンプ１７の伝達関数を「ＡＭＰ」、スピーカ１８の伝達関数を「ＳＰ」とする。また、マイク１１が集音する環境雑音をＮ（ｔ）とする。そうすると、スピーカ１８から出力されるキャンセル信号は、（Ｍ×ＰＣＢ×ＡＭＰ×ＳＰ×Ｎ）（ｔ）で表すことができる。

内部雑音は、デジタルノイズキャンセルヘッドホンを構成する各ブロックにおいて個別に発生する。すなわち、各ブロックの伝達関数に各ブロックの内部雑音を掛け合わせたものとなり、（Ｍ・Ｎ１）×（ＰＣＢ・Ｎ２）×（ＡＭＰ・Ｎ３）×（ＳＰ・Ｎ４）で表すことができる。ここでＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４はそれぞれのブロックにおける内部雑音を示す。各ブロックの内部雑音をまとめて、各ブロックには内部ノイズがない理想的な状態とし、各ブロックの内部雑音を合成した内部雑音が入力側にあると仮定した等価内部雑音をＮｉｎとする。

環境雑音Ｎ（ｔ）は、図示しないヘッドホン筐体によって減衰してから利用者の耳に聞こえる。ここでヘッドホン筐体の遮音特性をＨとすると、当該ノイズキャンセルヘッドホン１０において、利用者に聞こえる環境雑音は｛（Ｈ×Ｎ）（ｔ）｝＋｛（Ｍ×ＰＣＢ×ＡＭＰ×ＳＰ×Ｎ）（ｔ）｝＋｛（Ｍ×ＰＣＢ×ＡＭＰ×ＳＰ×Ｎｉｎ）（ｔ）｝で表すことができる。

上記式の第１項はヘッドホン筐体の遮音特性によって減衰した環境雑音であって、利用者に聞こえる減衰した環境雑音を示している。この環境雑音Ｎｅと、キャンセル後の環境雑音Ｎｃと、内部雑音Ｎｉｎの関係は図６（ａ）に示すようになる。すなわち、環境雑音Ｎｅが内部雑音Ｎｉｎよりも十分に大きければ、環境雑音Ｎｃも内部雑音Ｎｉｎに対して相対的に大きくなるので、キャンセル信号と音楽信号を混合しスピーカ１８から出力される音において、利用者に内部雑音が聴こえることはなく、好適な状況で音楽を聴くことができる。
しかし、図６（ｂ）に示すように、環境雑音Ｎｅが小さいとキャンセル後の環境雑音Ｎｃが内部雑音Ｎｉｎよりも小さくなることがある。このように、比較的静寂な環境においてノイズキャンセルヘッドホン１０を用いると、キャンセル信号と音楽信号を混合しスピーカ１８から出力される音において、利用者に内部雑音Ｎｉｎが聴こえる状態になる。すなわち、利用者には「シャー」といういわゆるホワイトノイズのような音が聴こえる状態となり不快感を与えることになる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、環境雑音が比較的小さい環境であっても、効果的に環境雑音を消音しつつ、内部雑音が利用者に聞こえることがないように、環境雑音の入力レベルに応じて、キャンセル信号の混合レベルを可変させ、雑音がより少ない出力を得ることができるデジタルノイズキャンセルホン及びデジタルノイズキャンセル方法を提供することを目的とする。

本発明は、環境雑音を電気信号に変換するマイクロホンと、前記電気信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、変換されたデジタル信号に基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成し出力するデジタル信号処理装置と、キャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから入力される電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンであって、デジタル信号処理装置が、キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段、環境雑音のレベルを検出するレベル検出手段、レベル手段の検出結果に応じて、キャンセル信号の減衰レベルを決定するレベル決定手段、減衰レベルに基づいて、キャンセル信号を減衰させて出力するキャンセル信号レベル調整手段、を有することを主な特徴とする。

また、本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセルヘッドホンにおいて、レベル決定手段が、環境雑音が基準レベルよりも小さいとき、減衰レベルを予め規定する所定の係数を決定することを特徴とする。

また、本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセルヘッドホンにおいて、レベル決定手段が、環境雑音が基準レベルよりも小さいとき、環境雑音のレベルに相対する係数を決定することを特徴とする。

また、本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセルヘッドホンにおいて、レベル決定手段が、環境雑音が基準レベルよりも小さいとき、環境雑音のレベルに対して、段階的に係数を決定することを特徴とする。

また、本発明の別の形態は、環境雑音を電気信号に変換するマイクロホン、前記電気信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、変換されたデジタル信号に基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成し出力するデジタル信号処理装置、キャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ変換器、キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサ、ミキサから入力される電気信号を可聴信号として出力するスピーカ、を有し、デジタル信号処理装置が、キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段、環境雑音のレベルを検出するレベル検出手段、レベル手段の検出結果に応じて、キャンセル信号の減衰レベルを決定するレベル決定手段、減衰レベルに基づいて、キャンセル信号を減衰させて出力するキャンセル信号レベル調整手段、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンによるデジタルノイズキャンセル方法であって、キャンセル信号生成手段が、環境雑音に基づいてキャンセル信号を生成するステップと、レベル検出手段が環境雑音のレベルを検出するステップと、レベル決定手段が、レベル手段が検出した入力レベルに応じてキャンセル信号の減衰レベルを決定するステップと、キャンセル信号レベル調整手段が上記ステップにおいて決定された減衰レベルを用いてキャンセル信号を減衰させて出力するステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセル方法において、レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、上記レベル検出手段による検出レベルが基準レベルよりも小さいとき、減衰レベルを予め規定する所定の係数に決定するステップであることを特徴とする。

また、また本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセル方法において、レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、上記レベル検出手段による検出レベルが基準レベルよりも小さいとき、環境雑音のレベルに相対する係数を決定するステップであることを特徴とする。

また、また本発明の別の形態は、上記ノイズキャンセル方法において、レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、上記レベル検出手段による検出レベルが基準レベルよりも小さいとき、環境雑音のレベルに対して、段階的に係数を決定するステップであることを特徴とする。

本発明によれば、環境雑音が大きいときは通常の消音効果を得ることができ、環境雑音が小さいときはノイズ感のない静音感が得られ、環境雑音のレベルに関係なく静音感を得ることができるデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びノイズキャンセル方法を得ることができる。

本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンの実施例を示す機能ブロック図である。 本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンが備えるＤＳＰの例を示すブロック図である。 本発明にかかるデジタルノイズキャンセル方法の例を示すフローチャートである。 本発明にかかるデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおける環境雑音Ｎｅと内部雑音Ｎｉｎの関係の例を示す図である。 従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンの例を示す機能ブロック図である。 従来のデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおける環境雑音Ｎｅと内部雑音Ｎｉｎの関係の例を示す図である。

本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びノイズキャンセル方法の実施形態の例について図を用いて説明する。図１は、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの例を示す機能ブロック図である。図１において、デジタルノイズキャンセルヘッドホン１００は、環境雑音を電気信号に変換するマイクユニットであるマイク１１０と、マイク１１０から入力された信号を増幅するアンプであるアンプ１２０と、電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ１３０と、キャンセル信号を生成して出力する信号処理を行うＤＳＰ１４０と、ＤＳＰ１４０から出力されるキャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ１５０と、音楽ソースＭから供給される音楽信号とＤ／Ａ１５０から供給されるキャンセル信号を混合して出力するミキサ１６０と、混合された信号用のアンプであってスピーカ１８０を駆動するアンプ１７０と、混合された信号を出力するスピーカユニットであるスピーカ１８０と、を有している。

本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンは、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）が備える機能構成に特徴を有している。よって、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンの実施例として、本発明に用いられるＤＳＰの例を中心に説明をする。図２は、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンが備えるＤＳＰの例を示す機能ブロック図である。図２に示すＤＳＰ１４０が備える機能は、ＤＳＰ１４０が備えるハードウェア資源を用いて動作するソフトウェアによって実現される。

図２においてＤＳＰ１４０は、キャンセル信号生成手段１４１、レベル検出手段１４２、レベル決定手段１４３、キャンセル信号レベル調整手段１４４、を備えている。
キャンセル信号生成手段１４１は、図示しないマイクロホンが集音しＡ／Ｄ１３によってデジタル信号に変換された環境雑音信号を入力とし、これに基づいて環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成し出力する手段である。

レベル検出手段１４２は、Ａ／Ｄ１３から入力された環境雑音信号の実効値または平均値（以下「実効値等」とする）を算出する手段である。レベル決定手段１４３は、レベル検出手段１４２において算出された実効値等に応じて、キャンセル信号の出力レベルを可変させる係数を決定する手段である。

キャンセル信号レベル調整手段１４４は、レベル決定手段１４３において決定された係数を用いてキャンセル信号生成手段１４１から入力されるキャンセル信号を減衰させて出力する手段である。

次に、上記ＤＳＰ１４０を用いて実施する本実施例に係るデジタルノイズキャンセル処理方法の例について説明をする。図３は、本実施例にかかるジタル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。マイクロホンから入力された環境雑音信号がＡ／Ｄ１３によってデジタル信号に変換されレベル検出手段１４２に入力されると、レベル検出手段１４２は環境雑音の実効値等を算出する（Ｓ１０）。この実効値等を算出する演算処理は周知技術で実現される処理である。また、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンにおいては、当該レベル検出手段１４２における演算処理が、実効値算出処理であるか平均値算出処理であるかを問わず、後述する効果を同様に奏することができる。

また、実効値等の算出は比較的長い時間で行うことが望ましい。この算出時間は、デジタル信号に変換された環境雑音の取り込みデータ数とサンプリング時間によって決定される。この時間を短くすると、環境雑音に敏感に反応し、逆に時間が長いと鈍感になるので、用途や使用感によって適宜設定されるものである。なお、好適な目安は概ね２０ｍｓ程度である。

次に、レベル決定手段１４３が、算出された実効値等のレベルを判定する処理を行う（Ｓ２０）。このレベル判定処理（Ｓ２０）は予め規定してある基準値と実効値等のレベルとを比較する処理である。このレベル判定処理（Ｓ２０）において、基準値よりも実効値等のレベルが大きければ、環境雑音は比較的大きいので、キャンセル信号を減衰させて内部雑音の出力レベルを減衰させる必要がなく、後述する係数決定処理（Ｓ３０）における減衰係数は設定されない。

レベル判定処理（Ｓ２０）において、予め規定してある基準値と実効値等のレベルとを比較し、基準値よりも実効値等のレベルが小さければ、環境雑音は比較的小さいと判断することができるので、係数決定処理（Ｓ３０）において内部雑音の出力を減衰させるための減衰係数を設定する。なお、基準値は本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンが奏する効果を発揮する値であればよく、使用環境に応じて可変できるものであってもよい。

係数決定処理（Ｓ３０）において、実効値等のレベルが基準値よりも大きいときに一意に係数を決定するようにしてよい。
また、実効値等を所定の範囲のレベルで分割して判定し、このレベル範囲に対応する係数を規定しておき、これらを図示しないメモリに記憶しておいて、判定された実効値等のレベルに応じた係数をメモリから読み出して決定するようにしてもよい。
また、レベル決定手段１４３において判定された実効値等のレベルに相対して所定の値が一意の決定されるように、実効値等のレベルによって係数を無段階に変化させるようにしてもよい。

上記いずれかの方法によって決定された係数を用いて、キャンセル信号生成手段１４１が出力するキャンセル信号を減衰させてＤ／Ａ１５に向けて出力する減衰出力処理を行う（Ｓ４０）。
減衰出力処理（Ｓ４０）は、係数決定処理（Ｓ３０）において決定された係数をキャンセル信号生成手段１４１の出力に掛け合わせて、スピーカから出力されるキャンセル信号のレベルを可変する処理である。この処理の後にキャンセル信号レベル調整手段１４４から出力されるキャンセル信号がＤ／Ａ１５によってアナログ信号に変換され、音楽ソースＭから入力される楽音信号とミキサによって混合されてスピーカから出力される。

上記にて説明をした本発明に係るデジタルノイズキャンセル方法の効果について、図４を用いて説明をする。図４は、ミキサに入力される音楽信号Ｍの大きさと、環境雑音Ｎｅ、内部雑音Ｎｉｎ、キャンセル後の環境雑音Ｎｃの関係を示す図である。
図４（ａ）は従来のノイズキャンセル方法において、環境雑音Ｎｅが内部雑音Ｎｉよりも小さいときの音楽信号Ｍと内部雑音Ｎｉｎの関係を示している。図４（ａ）に示すように、キャンセル後の環境雑音Ｎｃは音楽信号Ｍに対して低くなるが、内部雑音Ｎｉｎが音楽信号Ｍに混合されて出力されると、音楽信号Ｍと内部雑音Ｎｉｎとの関係によってＳ／Ｎ比が小さくなる。

図４（ｂ）は、本発明に係るノイズキャンセル方法において、環境雑音Ｎｅが内部雑音Ｎｉよりも小さいときの音楽信号Ｍと内部雑音Ｎｉｎの関係を示している。図４（ｂ）に示すように、環境雑音が所定の基準値と比較して低いとき、減衰出力処理（図３のＳ４０）によってキャンセル信号のレベルを減衰させてから出力すると、音楽信号Ｍに対して相対的に内部雑音Ｎｉのレベルが下がり、音楽信号Ｍと内部雑音ＮｉによるＳ／Ｎ比は、従来のもの（図４（ａ））に比べて大きくなる。

以上のように本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホン及びデジタルノイズキャンセル方法によれば、環境雑音が比較的小さいときには、キャンセル信号の出力を減衰させることで、環境雑音よりも内部雑音が耳障りになることを防ぐことができる。また、本発明に係るデジタルノイズキャンセルヘッドホンによれば、環境雑音が比較的小さいときに、キャンセル信号の出力を音楽信号と混合する前に減衰させることで、音楽信号に対する内部雑音の大きさを小さくすることができる。この結果、Ｓ／Ｎ比を向上させて、高音質な音楽を利用者が聴くことができるようになる。

本発明は、コンサートホールやカーオーディーオなど、音楽信号を再生して出力する各種音響システムにおけるノイズキャンセル処理にも適用可能である。

１４０ デジタル信号処理装置
１４１ キャンセル信号生成手段
１４２ レベル検出手段
１４３ レベル決定手段
１４４ キャンセル信号レベル調整手段

Claims (8)

1. 環境雑音を電気信号に変換するマイクロホンと、前記電気信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、変換された上記デジタル信号に基づいて上記環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成し出力するデジタル信号処理装置と、上記キャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ変換器と、上記キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサと、ミキサから入力される電気信号を可聴信号として出力するスピーカと、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンであって、
   上記デジタル信号処理装置が、
   上記キャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段、
   上記環境雑音のレベルを検出するレベル検出手段、
   上記レベル手段の検出結果に応じて、上記キャンセル信号の減衰レベルを決定するレベル決定手段、
   上記減衰レベルに基づいて、上記キャンセル信号を減衰させて出力するキャンセル信号レベル調整手段、を有することを特徴とするデジタルノイズキャンセルヘッドホン。
2. 上記レベル決定手段は、上記環境雑音が上記基準レベルよりも小さいとき、上記減衰レベルを予め規定する所定の係数を決定することを特徴とする請求項１記載のデジタルノイズキャンセルホン。
3. 上記レベル決定手段は、上記環境雑音が上記基準レベルよりも小さいとき、上記環境雑音のレベルに相対する係数を決定することを特徴とする請求項１記載のデジタルノイズキャンセルホン。
4. 上記レベル決定手段は、上記環境雑音が上記基準レベルよりも小さいとき、上記環境雑音のレベルに対して、段階的に係数を決定することを特徴とする請求項１記載のデジタルノイズキャンセルホン。
5. 環境雑音を電気信号に変換するマイクロホン、前記電気信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、上記変換されたデジタル信号に基づいて上記環境雑音を打ち消すキャンセル信号を生成するデジタル信号処理装置、上記キャンセル信号を電気信号に変換するＤ／Ａ変換器、上記キャンセル信号と外部から入力される音楽信号を混合して出力するミキサ、ミキサから入力される電気信号を可聴信号として出力するスピーカ、を有し、上記デジタル信号処理装置が、上記キャンセル信号を生成し出力するキャンセル信号生成手段、上記環境雑音のレベルを検出するレベル検出手段、上記レベル手段が検出した入力レベルに応じて、上記キャンセル信号の減衰レベルを決定するレベル決定手段、上記減衰レベルに基づいて、上記キャンセル信号を減衰させて出力するキャンセル信号レベル調整手段、を有するデジタルノイズキャンセルヘッドホンによるデジタルノイズキャンセル方法であって、
   上記キャンセル信号生成手段が、上記環境雑音に基づいてキャンセル信号を生成するステップと、
   上記レベル検出手段が、上記環境雑音のレベルを検出するステップと、
   上記レベル決定手段が、上記レベル手段が検出した環境雑音のレベルに応じて、上記キャンセル信号の減衰レベルを決定するステップと、
   上記キャンセル信号レベル調整手段が、上記ステップにおいて決定された減衰レベルを用いて、上記キャンセル信号を減衰させて出力するステップと、を有することを特徴とするデジタルノイズキャンセル方法。
6. 上記レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、
   上記レベル検出手段による検出レベルが上記基準レベルよりも小さいとき、上記減衰レベルを予め規定する所定の係数に決定するステップであることを特徴とする請求項５記載のデジタルノイズキャンセル方法。
7. 上記レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、
   上記レベル検出手段による検出レベルが上記基準レベルよりも小さいとき、上記環境雑音のレベルに相対する係数を決定するステップであることを特徴とする請求項５記載のデジタルノイズキャンセル方法。
8. 上記レベル決定手段における減衰レベルを決定するステップは、
   上記レベル検出手段による検出レベルが上記基準レベルよりも小さいとき、上記環境雑音のレベルに対して、段階的に係数を決定するステップであることを特徴とする請求項５記載のデジタルノイズキャンセル方法。

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