JP2019087868A

JP2019087868A - 音響出力装置

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Publication number: JP2019087868A
Application number: JP2017214483A
Authority: JP
Inventors: 英喜増井; Hideki Masui
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-06-06

Abstract

【課題】装用時に周辺音とともに目的音を聴く場合に、目的音の聴取性が低下するのを抑える。【解決手段】イヤホン１０は、ユーザーの周辺音を収音するマイク１１０と、マイク１１０の収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザー１１６と、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカー１４０と、スピーカー１４０近傍の音を収音するマイク１５０と、マイク１５０の収音に基づく第２信号の逆相信号を所定周波数以下で生成する逆相信号生成回路１５６と、目的音を示す目的音信号と、逆相信号と、イコライザー１１６による出力信号とを加算してスピーカーに向けて出力する加算器１３０とを含み、逆相信号が加算器１３０によって目的音信号と逆相信号と加算されたときに、マイク１５０で収音される信号成分のうち、目的音信号およびイコライザー１１６の出力信号以外のノイズ成分の低域側が抑圧される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば音響出力装置に関する。

イヤホンやヘッドホンなどの音響出力装置において、ヒアスルーの機能を持たせたい、という要望がある。ヒアスルーとは、ユーザーが音響出力装置を装用していても、あたかも非装用であるかのように周辺音を聴くことができる機能をいう（例えば特許文献１参照）。

特表２０１５−５３７４６５号公報

ところで、ユーザーが音響出力装置を装用し、周辺音とともに音楽プレーヤなどの外部端末から供給される目的の音（以下、「目的音」と称呼する）を聴く場合に、目的音の聴取性が低下することがある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、音響出力装置を装用して、周辺音とともに目的音を聴く場合に、周辺音の聴取性が低下するのを抑える技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る音響出力装置は、ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を所定周波数以下で生成する逆相信号生成回路と、目的音を示す目的音信号と、前記逆相信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、を含む。

第１実施形態に係るイヤホンの構成を示すブロック図である。イヤホンの構造を示す図である。イヤホンの装用状態を示す図である。第２実施形態に係るヘッドホンを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る音響出力装置の一例であるイヤホン１０の構成を示すブロック図である。
この図に示されるように、イヤホン１０は、マイク１１０、１５０、アンプ１１２、１３４、１５２、ＡＤＣ１１４、１５４、イコライザー１１６、ＩＦ１２２、加算器１３０、ＤＡＣ１３２、スピーカー１４０および逆相信号生成回路１５６を含む。なお、イヤホン１０がユーザーに装用されたとき、スピーカー１４０の放音方向が、当該ユーザーの外耳道に向かう方向に配置され、マイク１５０は、スピーカー１４０の放音方向であって、外耳道と音響結合された空間に配置される。

マイク１１０（第１マイク）は、イヤホン１０を装用するユーザーの周辺音を収音する。アンプ１１２は、マイク１１０により収音された信号（第１信号）を増幅し、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１１４は、アンプ１１２による増幅された信号をデジタル信号に変換する。
イコライザー１１６は、ＡＤＣ１１４の出力信号に補正処理を、例えばイヤホン１０を装用したときに遮音によって損失する特性を予め補償する処理を施し、当該処理を施した信号を加算器１３０における第１入力端に供給する。

ＩＦ（InterFace）１２２は、外部端末２００から無線により信号を受信するインターフェイスである。ＩＦ１２２が受信する信号は、外部端末２００で再生された信号、すなわちユーザーに聴かせる音（目的音）の目的音信号である。ＩＦ１２２によって受信された目的音信号は、加算器１３０における第２入力端に供給される。
なお、目的音信号は、例えば外部端末２００で再生された音楽信号である。また、ＩＦ１２２は、目的音信号を無線ではなく有線で受信する構成としても良い。

加算器１３０は、第１入力端、第２入力端および第３入力端のそれぞれに供給された信号同士を加算して、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１３２に供給する。ＤＡＣ１３２は、加算器１３０によって加算された信号をアナログに変換し、アンプ１３４は、ＤＡＣ１３２により変換された信号を増幅する。スピーカー１４０は、アンプ１３４により増幅された信号を空気の振動、すなわち音に変換して出力する。

マイク１５０（第２マイク）は、スピーカー１４０の近傍に設けられて、当該スピーカー１４０から出力された音などを収音する。アンプ１５２は、マイク１５０により収音された信号（第２信号）を増幅し、ＡＤＣ１５４は、アンプ１５２により増幅された信号をデジタル信号に変換して、逆相信号生成回路１５６に供給する。

逆相信号生成回路１５６は、ＡＤＣ１５４からの出力信号の位相を反転させた関係にあって、音量（振幅）がほぼ等しい逆相信号を、周波数、振幅および位相を調整して生成する。なお、逆相信号生成回路１５６は、生成する逆相信号については、内蔵されたローパスフィルターによって例えば周波数が２００Ｈｚ以下の成分に制限している。
なお、当該ローパスフィルターの周波数特性については、フィルター係数の設定により可変となっている。

また、図１において、例えばイコライザー１１６、加算器１３０および逆相信号生成回路１５６は、例えば１または２以上のチップで集積したＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成すると、省スペース化を図ることができる。

図２は、イヤホン１０の構造を示す図である。
この図に示されるようにイヤホン１０は、例えばカナル型であり、ハウジング（筐体）１６０およびイヤーピース１８０を含む。
ハウジング１６０は、概略筒状である。ハウジング１６０の内部空間には、スピーカー１４０、マイク１１０および１５０が設けられる。詳細には、ハウジング１６０の内部空間を区画するようにスピーカー１４０が取り付けられ、当該スピーカー１４０の放音面は、外耳道に向かう方向となっている。
マイク１５０は、ハウジング１６０の内部空間においてスピーカー１４０で区画される空間のうち、外耳道寄り（図において右側）に取り付けられる。
なお、ハウジング１６０には、装用時において、スピーカー１４０で区画される内部空間のうち、外耳道寄り空間において、外部と通気させる通気孔１６８が１または複数設けられる。
一方、マイク１１０は、スピーカー１４０で区画される内部空間のうち、外耳道とは反対側の空間において反対側に設けられる。

イヤーピース１８０は、ポリビニルやスポンジなどの弾力性を有する素材により、開口部１８６で開口する中空の砲弾形に成形されて、ハウジング１６０の外耳道側に対し着脱自在となっている。イヤーピース１８０がハウジング１６０に取り付けられた状態では、開口部１８６がハウジング１６０の内部空間に連通する。

なお、図１で示したイヤホン１０の構成する要素のうち、マイク１１０、１５０およびスピーカー１４０以外の要素については、ハウジング１６０の内部空間、例えばマイク１１０の近傍に設けられるが、図２では省略されている。

図３は、イヤホン１０の装用状態を示す図であり、詳細には、イヤホン１０がユーザーＷの右耳に装用された状態を示す図である。この図に示されるように、イヤホン１０のイヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される。詳細には、開口部１８６が鼓膜３１２に向かう方向に、イヤーピース１８０が外耳道３１４に挿入される一方で、ハウジング１６０の一部が外耳道３１４から露出した状態となる。

次に、イヤホン１０の動作について説明する。
図３に示されるようにイヤホン１０がユーザーＷに装用された場合に、スピーカー１４０は、加算器１３０による加算信号、詳細には、マイク１１０で収音された周辺音の信号と、外部端末２００から供給された目的音信号と、逆相信号との加算信号に基づいて発音する。

逆相信号生成回路１５６では、マイク１５０で収音された信号のうち、周波数が２００Ｈｚ以下の成分の逆相信号を出力する。このため、スピーカー１４０が当該加算信号に基づいて発音した場合、周辺音の信号のうち、周波数が２００Ｈｚ以下の成分が抑圧された状態で鼓膜３１４に到達する。なお、当該逆相信号によって抑圧される周辺音としては、例えば、送風音やエンジンなどの機械音が挙げられる。

このように、イヤホン１０を装用したユーザーは、周辺音のうち、低い周波数成分のノイズがキャンセル（抑圧）された状態で知覚する。したがって、イヤホン１０によれば、目的音信号に基づく音の低域部分、特にリズム音が、周辺音によってマスクされることがないので、目的音信号に基づく音の聴取性を向上させることができる。

ところで、イヤホン１０が装用されていない場合、ユーザーＷは、音を、外耳道３１４（空気）を介し鼓膜３１２を振動させて聴覚神経に伝わる気導音と、振動が皮膚や骨等を伝わり直接聴覚神経に伝わる骨伝導音との合算により知覚する。なお、骨伝導音には、自己の声帯の振動が骨等を介して聴覚神経に伝達することで知覚される自声音が含まれる。
図３に示されるようにイヤホン１０がユーザーＷに装用された場合、スピーカー１４０から発せられる音と、通気孔１６８を介して外耳道３１４に漏れ入る音と、骨伝導音との合算で音を知覚する。
イヤホン１０の装用時においてスピーカー１４０から発せられる音は、外耳道３１４の閉塞・遮音によって、イヤホン１０の非装用時とは異なる伝達特性、具体的には、ある帯域成分が損失した状態で鼓膜３１２に到達する。ただし、マイク１１０で収音された周辺音の信号は、イコライザー１１６の補償処理によって、装用時にイヤーピース１８０による閉塞・遮音による損失が予め補償されているので、ユーザーＷは、スピーカー１４０から発せられる音のうち、周辺音については、イヤホン１０が非装用であるかのごとく、自然な感じで知覚することができる。

このように、イヤホン１０によれば、目的音信号に基づく音の聴取性が向上する一方で、周辺音を自然な感じで知覚することが可能となる。

ところで、マイク１５０で収音された信号は、逆相信号生成回路１５６により逆相化されて、逆相信号として加算器１３０における第３入力端に供給されるまで、デジタル変換やフィルタリングなどの処理を経る。このため、逆相信号は、漏れ入った周辺音に対し、厳密には、逆相の関係とはならない。
特に周波数が高い（周期が短い）周辺音や、周期性を有しない周辺音に対しては、逆相信号を加算しても抑圧の程度が小さいか、抑圧されずに却ってノイズが強調されてしまう場合がある。

そこで、本実施形態では、抑圧の対象を所定周波数以下の成分としているのである。ただし、抑圧する上限周波数が高いと、周辺音が過度に抑圧されるので、ユーザーに聴こえる周辺音が不自然になる。一方で、抑圧する上限周波数が低いと、目的音信号に基づく音の低域部分が、抑圧されない（ユーザーに知覚される）周辺音によって過度にマスクされるので、目的音信号に基づく音の聴取性が低下する。
このため、本実施形態では、双方のバランスを考慮しつつ、音楽のリズム音の低域が周辺音にマスクされない程度とするために、逆相信号の上限周波数を２００Ｈｚとして、抑圧の対象を当該周波数以下としているのである。

なお、本実施形態では逆相信号の上限周波数を２００Ｈｚとしているが、ヒトの聴感には、ばらつきがあるので、ある程度の周波数範囲を持ってしまうのは避けられない。また、逆相信号生成回路１５６におけるローパスフィルターでも、当然のことながら誤差が発生してしまう。このため、本件において、逆相信号の上限周波数について、２００Ｈｚ付近として、ある程度の範囲（１６０〜２４０Ｈｚ）を伴うことは許容される。

また一般には、男性の最低基音が１８０Ｈｚであり、女性の最低基音が２２０Ｈｚであるので、この最低基音の成分が抑圧されてしまうと、会話音が不自然に聴こえてしまう可能性がある。
このため、周辺音としての会話音の聴取性を重視する場合、逆相信号生成回路１５６は、周波数１５０Ｈｚ以下のノイズを抑圧させる逆相信号を生成するようにしても良い。
周波数１８０Ｈｚ以下とせず、それよりも低い１５０Ｈｚとしている理由は、ローパスフィルターにおける応答特性のマージンを考慮しているためである。

実施形態では、イヤホン１０が右耳に装用される場合を例にとって説明したが、左耳に装用されても良い。また、同じ構成のイヤホン１０を２個用意して、右耳に一方を、左耳に他方をそれぞれ装用させるとともに、左耳に装用されるイヤホンにステレオの左信号が、右耳に装用されるイヤホン１０にステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される構成としても良い。

＜第２実施形態＞
上述した実施形態では、音響出力装置としてイヤホン１０を例示したが、ヘッドホンとしても適用可能である。

図４は、第２実施形態に係る音響出力装置の一例であるヘッドホン１の構成を示す図である。
この図に示されるように、ヘッドホン１は、ヘッドホンユニット１０Ｌ、１０Ｒと、ヘッドバンド３と、アーム４Ｌおよび４Ｒと、を含む。ヘッドバンド３は、弾力性を備える金属または樹脂などにより、長手方向に円弧を描く形状となっている。ヘッドバンド３の両端のうち、一端側（図において左側）には、アーム４Ｌを介して、左耳用のヘッドホンユニット１０Ｌが取り付けられ、他端側（図において右側）には、アーム４Ｒを介して、右耳用のヘッドホンユニット１０Ｒが取り付けられている。

ヘッドホンユニット１０Ｌは、略円筒形状のハウジング１６０と、当該ハウジング１６０に取り付けられたイヤーパッド１８２とを有する。また、ヘッドホンユニット１０Ｌの電気的な構成については、上述したイヤホン１０と同一であり、それぞれマイク１１０、１５０とスピーカー１４０とを備える。
ヘッドホンユニット１０Ｒについては、ヘッドホンユニット１０Ｌとほぼ同様な構成となっている。
なお、ヘッドホンユニット１０Ｌにはステレオの左信号が、また、ヘッドホンユニット１０Ｒにはステレオの右信号が、それぞれ外部端末２００から供給される。

ヘッドホン１を装用する場合、ユーザーは、ヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒを持ってヘッドバンド３の円弧を広げつつ、ヘッドホンユニット１０Ｌのイヤーパッド１８２を左耳に、ヘッドホンユニット１０Ｒのイヤーパッド１８２を右耳に、にそれぞれ被せる。ヘッドバンド３には、その弾力性によって、当該ヘッドバンド３の端部同士を近づけようとする復元力が発生する。このため、ヘッドバンド３の端部に位置するヘッドホンユニット１０Ｌおよび１０Ｒは、装用時においてユーザーの頭部に側圧を与える。この側圧によって、ヘッドホン１は所定の位置で保持される。

ヘッドホン１がユーザーに装用された状態では、イヤーパッド１８２によって耳が遮蔽された状態となる。音の伝達については、イヤホン１０とほぼ同様となる。
このため、ヘッドホン１によれば、ユーザーに、ステレオの目的音信号に基づく音の聴取性を向上させる一方で、周辺音を自然な感じで知覚させることが可能となる。

＜応用例・変形例＞
実施形態において、逆相信号生成回路１５６におけるローパスフィルター用のフィルター係数を複数組用意しておき、いずれか１つの組を、音楽の種類（ジャンル）や、周辺環境、ユーザーの嗜好などに合わせて適宜選択して用いる構成としても良い。すなわち、逆相信号生成回路１５６は、逆相信号の上限周波数を、２００Ｈｚ以下の範囲で切替可能に生成する構成としても良い。

＜付記＞
上述した実施形態等から、例えば以下のような態様が把握される。

＜態様１＞
本発明の好適な態様１に係る音響出力装置は、ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を周波数２００Ｈｚ以下で生成する逆相信号生成回路と、目的音を示す目的音信号と、前記逆相信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、を含む。
態様１に係る音響出力装置によれば、装用して周辺音とともに目的音を聴く場合に、周辺音の聴取性が低下するのを抑えることができる。

＜態様２＞
態様２に係る音響出力装置は、態様１に係る音響出力装置おいて、前記逆相信号生成回路は、前記逆相信号を周波数１５０Ｈｚ以下で生成する。態様２に係る音響出力装置によれば、会話音の聴取性が向上する。

＜態様３＞
態様３に係る音響出力装置は、態様１または２に係る音響出力装置おいて、前記逆相信号生成回路は、前記逆相信号の上限周波数を切替可能に生成する。態様３に係る音響出力装置によれば、音楽の種類（ジャンル）や、周辺環境、ユーザーの嗜好などに合わせて、
目的音および周辺音の聴取性を選択することができる。

１…ヘッドホン、１０…イヤホン、１１０…マイク（第１マイク）、１１６…イコライザー、１３０…加算器、１４０…スピーカー、１５０…マイク（第２マイク）、１５６…逆相信号生成回路、２００…外部端末。

Claims

ユーザーの周辺音を収音する第１マイクと、
前記第１マイクの収音に基づく第１信号に対して所定の周波数特性を付与するイコライザーと、
ユーザーの鼓膜に向けて放音するスピーカーと、
前記スピーカー近傍の音を収音する第２マイクと、
前記第２マイクの収音に基づく第２信号の逆相信号を所定周波数以下で生成する逆相信号生成回路と、
目的音を示す目的音信号と、前記逆相信号と、前記イコライザーによる出力信号とを加算して前記スピーカーに向けて出力する加算器と、
を含む音響出力装置。
前記逆相信号生成回路は、前記逆相信号を周波数２００Ｈｚ以下で生成する
請求項１に記載の音響出力装置。
前記逆相信号生成回路は、前記逆相信号の上限周波数を切替可能に生成する
請求項１または２に記載の音響出力装置。