JP4881896B2 - ノイズキャンセル装置、ノイズキャンセル方法 - Google Patents
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Description
図5(a)に示すスピーカ30は、例えばヘッドホンやイヤホンに設けられるスピーカとする。ユーザは耳にヘッドホンを装着することとなるため、スピーカ31からの出力音のリスニングポイントPLは、そのスピーカ31の直前の殆ど離間していないポイントとなる。この場合、ノイズキャンセルを実現するために、ヘッドホン(或いはイヤホン)にマイクロホン31を設けるが、このマイクロホン31は、リスニングポイントPLの極近傍(つまりユーザの耳とほぼ同じ位置)に配置することができる。
これは、音声波は、音源から球面波として放射され、その音源付近での音圧レベルは、音源からの距離に応じて著しく減衰していくが、音源から遠くなるほど、距離に応じた減衰量としては僅かになっていき、ほぼ平面波とみなせる距離では、多少の距離差による音圧レベルの違いはほとんど無くなるためである。
このノイズをマイクロホン31で集音し、内部回路で位相反転させて逆相ノイズ信号を生成し、スピーカ30から出力する。スピーカ30から出力される音声は、球面波として放射され、そのスピーカ30の周辺では、距離に応じた音圧レベルの減衰の程度は大きい。
しかしながら、リスニングポイントPLが、スピーカ30から殆ど離れていなければ、スピーカ30からの出力音のリスニングポイントPLでの減衰量は小さい。
このためスピーカ30から出力される逆相ノイズは、リスニングポイントPLでは、例えば図5(c)の音圧レベル「0.9」程度(−1dB)として考えることができる。
すると、リスニングポイントPLでは、外来ノイズが、逆相ノイズによって適度に打ち消されることになり、リスニングポイントPLでの残ノイズレベルは図5(d)のように例えば−20dB程度とすることできる。
即ち、ユーザが感じる外来ノイズを適切に低減させることができる。
つまり、ノイズの観測点であるマイクロホン位置をリスニングポイントPLであるユーザの耳の位置とほぼ同じ位置に設置することが可能で、これにより耳の位置で最適なキャンセル効果を出せる様、スピーカ30からキャンセル信号(逆相ノイズ信号)を出力させることができるためである。
ただし、車の中でノイズキャンセルを実現したい場合、ヘッドホンを運転者等の搭乗者に装着することは安全上等の理由から不適切である。
このため車の中の様な環境では、頭部に直接スピーカやマイクロホンを装着するのではなく、搭乗者の耳から離れた位置、例えば座席のヘッドレストや天井等にマイクロホンやスピーカを装着し、その上で、搭乗者の耳という、マイクロホンやスピーカから離れたリスニングポイントでノイズキャンセル効果を出す必要がある。
図6(a)に示すように、リスニングポイントPL(ユーザの耳の位置)は、スピーカ30の放音面から例えば15cm程度離れているとする。またマイクロホン31は、上記図5の場合と同様、スピーカ30の直前位置に配置されているとする。
平面波としての外来ノイズの音圧レベルは、上述の理由から、マイクロホン31の位置と、リスニングポイントPLで、殆ど差はない。
そしてノイズレベルは図6(b)のように「1」であるとする。
この場合、マイクロホン31で集音された外来ノイズは、内部回路で逆相ノイズ信号とされてスピーカ30から出力される。
ところが、その逆相ノイズとしての音波は、スピーカ30から球面波として出力された直後、その距離に応じて大きく減衰していく。例えば15cm離れたリスニングポイントでは、逆相ノイズの音圧レベルは図6(c)のように「0.32」(−10dB)となる。
すると、リスニングポイントPLでの残ノイズレベルは、逆相ノイズによる打ち消し効果が著しく小さくなり、図6(d)に示すように−3.3dBとなる。上記図5(d)と比較してわかるように、適切なノイズキャンセル効果が得られない。
マイクロホンで集音される音は、外来ノイズとスピーカ出力音(つまりノイズキャンセルのための逆相ノイズ)の差分としての音となるが、上記ポイント(スピーカ出力がリスニングポイントとほぼ同等の減衰を示すポイント)にマイクロホンを配置すると、そのマイクロホンで集音される音は、リスニングポイントにおいてユーザが聴感する残ノイズレベルと同等となる。
従って、そのマイクロホンで集音される音について位相反転して逆相音声信号(逆相ノイズ信号)を生成し、スピーカ出力させると、それは、リスニングポイントでの残ノイズ成分を低減させる出力となる。
これにより、例えば自動車内、飛行機内などでヘッドホン等を使用しない場合でも、ノイズキャンセルによりユーザがノイズをあまり感じない環境を作り出すことができる。
図1は、実施の形態のノイズキャンセル装置の構成を示している。
本例のノイズキャンセル装置は、スピーカ1に対してマイクロホン2が後述する所定の位置に配置されている。またマイクアンプ4及び反転アンプ5による逆相回路3が設けられる。
マイクロホンで得られる音声信号SAは、逆相回路3によって位相反転され、逆相音声信号SBとなる。この逆相音声信号SBがスピーカ1に供給されて出力される。
図2(a)は、例えばスピーカ1,マイクロホン2が、自動車等の座席のヘッドレスト内に取り付けられている状態を示しているが、例えば図2(b)のようにユーザが座る状況を考えると、スピーカ1の放音面からユーザの耳の位置は、15cm程度離れるものとなる。
図1のリスニングポイントPLは、このようにスピーカ1の正面から15cm程度離れた位置を想定している。
また、スピーカ1の出力音は球面波として放射され、リスニングポイントPLに到達すると共に、マイクロホン2にも到達する。
従って、マイクロホン2では、外来ノイズとスピーカ出力音が集音される。つまり外来ノイズとスピーカ出力音とについての逆相成分については、打ち消された状態の音が集音され、それが音声信号SAとして得られる。そして逆相回路3で逆相音声信号SBが生成され、スピーカ1から出力される。
本例では、このようなフィードバック系において、リスニングポイントPLでのノイズキャンセル効果を得る。
図3(a)は口径20cmのスピーカ1をエンクロージャーに入れずに、裸の状態で音圧を測定した結果を示している。ここでは、スピーカの正面右側の領域として、スピーカ出力音声について測定される音圧(dB)の等音圧曲線を示している。
スピーカ1から出力される信号は球面波であるため、この等音圧曲線が示す様に、距離が離れるとともに拡散し、減衰する。
一般に、スピーカ1から出力される音圧レベルは、スピーカ1からの距離の二乗に反比例して減衰するとされている。
図1のように、リスニングポイントPL(ユーザの耳の位置)が、仮にスピーカ1から15cm程度離れているとする場合、その距離に応じた減衰が観測される。
図3(a)の実際の実験において、ある音圧のスピーカ出力を行った際に、スピーカ直前の位置Pfで6dB程度、15cmの位置で−5dB程度という結果が得られた。つまり音源から15cmの距離では、10dB以上の減衰が確認されている。
例えば図2のような環境を考えると、リスニングポイントPLはスピーカ1から15cm程度の位置である。実際上、マイクロホン2は、図示のようにスピーカ1と同じくヘッドレスト内など(ヘッドレスト内に限られるものではないが、いずれにしてもユーザの耳から離れた位置)に配置せざるを得ない。なぜなら、マイクロホン2を、例えばアーム等に取り付けて耳の直近に配置することは現実問題として適切ではないし、そのような位置に配置することはユーザにとってマイクロホン2の存在が不快にもなるためでもある。
一方、平面波で到来する外来ノイズの音圧レベルは、リスニングポイントPLとポイントPmで殆ど差はない。つまり、ポイントPmと、リスニングポイントPLは、スピーカ出力音圧とノイズレベルの関係がほぼ同じ条件となっている。つまりポイントPmはリスニングポイントと同等のノイズ環境となっている。
そこで、図3(b)のように、図3(a)に示すポイントPmに相当する位置にマイクロホン2を配置させる。
図1の系はフィードバックループとなっており、マイクロホン2で得られた音声信号が逆相音声信号とされてスピーカ1から出力されるようにしてノイズをキャンセル或いは減衰させる。そしてキャンセル後に残る残留ノイズ(即ちスピーカ出力と外来ノイズの差分)は再度マイクロホン2から集音され、回路の系にフィードバックされる。
従って、図1の回路は、ポイントPmにおけるノイズキャンセルとして有効に機能するが、結局それは、リスニングポイントPLでもポイントPmと同様に十分なノイズキャンセル効果が表れることとなる。
図中には各地点でのノイズレベルを示しており、この図における最外周近辺ではノイズレベル11〜12dB程度となっている。
これに比較してスピーカ1の前面15cm付近でのノイズレベルは2dB程度となっており、約10dBのノイズキャンセル効果が得られていることがわかる。
もちろんヘッドホン等をユーザに装着させる必要がないこと、或いはマイクロホン2をユーザの耳元に配置する必要がないことなどで、多様な環境において採用しやすいものでもある。
また、例えば座席や天井等に設置する場合、ユーザの座り方や座高などによって、マイクロホン2の最適な位置は変化するため、マイクロホン2の位置を微調整できるような機構を設けても良い。
Claims (2)
- マイクロホンと、
上記マイクロホンによって得られる音声信号を位相反転させる逆相回路と、
上記逆相回路で得られる逆相音声信号が供給されて音声出力を行い、該音声出力が球面波として放射されるスピーカと、
を備え、
上記スピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、
上記マイクロホンは、上記スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置されている
ノイズキャンセル装置。 - 音声出力が球面波として放射されるスピーカの設置位置に基づいて上記スピーカの正面の出力される球面波の中心位置から所定距離だけ離れた位置にリスニングポイントが設定され、マイクロホンを、スピーカの出力音圧レベルとして、上記リスニングポイント以外で、上記リスニングポイントでの音圧レベルと略同等の音圧レベルが得られる上記音声出力が球面波として放射されるスピーカの最外周の外側に位置するポイントに配置し、
上記マイクロホンで得られる音声信号を位相反転させ、
位相反転された逆相音声信号を上記スピーカに供給して音声出力を行う
ノイズキャンセル方法。
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