JP6452740B2 - カナル型イヤホン - Google Patents
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Description
自然界の音(つまり音源)1は、1点から発生して聴取者2の左耳2L及び右耳2Rの両耳2L,2Rに届く。この時、両耳2L,2Rには、耳介や頭部・身体等の影響を受け、左耳2Lと右耳2Rとに異なる周波数特性(音色)の音が届く。又、音源1の方向により、到達時間差τが生じる。聴取者2は、それらの情報を基に、音源1の方向・距離等を判断しているものと思われる。
例えば、公知文献(富士通テン技報、Vol.2,No.2(1984年)、藤田・若松・加藤・本島・長野著「側方スピーカを付加したステレオ音場の解析」p.47、図6「実音源によるΔp−Δφ」)に記載されているように、500Hzの音源1を、聴取者2を中心とする半円上に移動させた場合、聴取者2の左耳2L及び右耳2Rの音圧差Δpと位相差Δφは、次のようになる。即ち、音圧差Δpがプラスの領域は、右耳2Rの音圧が高く、位相差Δφがプラスの領域は、右耳2Rの位相が進んでいる。例えば、聴取者2から見て、正面から右30°の音源位置では、右耳2Rの音圧が4dB高く、位相が0.4π進んでいる。
ステレオ音源の再生では、前方の左側スピーカ3L及び右側スピーカ3Rから、音が両耳2L,2Rに再生されるよう音圧差・位相差をつけた音を送り出し、図27に近似するような、所望の音場を形成している。この時、右耳2Rには、右側スピーカ3Rからの直接音Rと左側スピーカ3Lからの遅延音Laが届き、左耳2Lには、左側スピーカ3Lからの直接音Lと右側スピーカ3Rからの遅延音Raが届いている。
ヘッドホン再生の音源としては、通常、図27の再生を前提とした音源が流用されている。そして、ヘッドホン再生では、図28のように、両耳2L,2Rの近くに左側スピーカ3L及び右側スピーカ3Rが置かれる。この時、右耳2Rには右側スピーカ3Rからの直接音R、左耳2Lには左側スピーカ3Lからの直接音Lが届いている。
図1(a)、(b)は、本発明の実施例1におけるカナル型イヤホンの原理を示す概略の構成図であり、同図(a)は全体の構成図、及び同図(b)は左耳用イヤホンの等価回路図である。
図2は図1中の右耳用イヤホン10Rの斜視図、図3は図2の側面図、図4は図3のI−I線拡大断面図、図5は図3のII−II線拡大断面図、図6は図2の左側面視の分解斜視図、及び、図7は図2の右側面視の分解斜視図である。
図2及び図3中の矢印Xはイヤホン10Rの軸方向、矢印Yは矢印Xの垂直方向、及び、矢印Zは矢印Xに対する直交方向を示している。
図2〜図7に示す右側イヤホン10Rの動作を説明する。
図27に示すように、ステレオ音源を左右のスピーカ3L,3Rで再生した場合、聴取者2の右耳2Rには右側スピーカ3Rからの直接音Rと左側スピーカ3Lからの遅延音Laが届き、左耳2Lには左側スピーカ3Lからの直接音Lと右側スピーカ3Rからの遅延音Raが届いている。
図8及び図9に示すように、両耳間隔を設定し(例えば、18cm)、正面から右方向の音の到来角度をθ(°)とすると、遅延距離h(cm)は、図10のようになる。例えば、到来角度θが30°の場合は遅延距離hが9(cm)、到来角度θが90°の場合は遅延距離hが18(cm)になる。
図10及び図11に示すように、聴取者2の頭の半径をr(例えば、9cm)とすると、音の到来角度θ(°)に対する遅延距離h2(cm)は、式(1)から求めることができる。
h2=2πr×(θ/360°) (1)
更に、遅延距離h1は、式(2)から求めることができる。
h1=(左耳2Lへ届く遅延音Raの伝搬距離)
−(右耳2Rへ届く直接音Rの伝搬距離) (2)
従って、到来角度θ(°)に対する遅延距離h1,h2,h1+h2は、図12のようになる。
図12は、図1(b)の動作波形図であり、横軸は時間、縦軸は音圧である。
この図12には、フロントドライバユニット30の出力音Aと、遅延パイプ50による遅れxだけ遅れているリヤドライバユニット40の出力音Bと、が示されている。
x=(2π/λ)H=kH (3)
但し、k=2π/λ=ω/c
k;波数(波長定数)
H;遅延パイプ50の長さ
ω=2πf;角周波数
f;周波数
c;音速
フロントドライバユニット30の出力音A、遅延パイプ50による遅れxだけ遅れているリヤドライバユニット40の出力音B、及び、出力音Aと出力音Bの合成出力音Cは、式(4)で表せる。
(A+Bcosx)2+(Bsinx)2=C2 (4)
式(4)を展開すると、式(5)になる。
A2+2ABcosx+(Bcosx)2+(Bsinx)2
=A2+B2+2ABcosx=C2 (5)
従って、合成出力音Cは、式(6)のようになる。
C=√(A2+B2+2ABcosx) (6)
そのうち、図14−1、図14−2、図14−3は、遅延パイプ長のシミュレーションを示す図であり、図14−1は遅延パイプ長のシミュレーション条件、図14−2は遅延パイプ長のシミュレーション波形、及び図14−3は計算例である。図14−2の波形図の横軸は周波数(Hz)、縦軸は音圧(dB)である。
図15は、遅延パイプ長Hが220mmの実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数(Hz)、縦軸は音圧(dB)である。
横方向への音の広がり感を期待して、つまり音の広がり感最大(真横からの音)を想定して、遅延パイプ長220mmを実験した。
図15の実験結果において、実際には、リヤドライバユニット40の出力音Bが、遅延パイプ50により減衰する。又、高域周波数は、より減衰すると推定される。そこで、図16では、リヤドライバユニット40の出力音Bが、図15より半分になった場合をシミュレートした。図16の矢印2に示すように、位相干渉は、図15より改善されているのが分かる。
この図17では、フロントドライバユニット30の出力音A及びリヤドライバユニット40の出力音Bを同振幅にし、リヤドライバユニット40の出力音Bを逆相にした場合の遅延パイプ50による位相干渉のシミュレーション結果が示されている。図17中の矢印3で示すように、位相干渉により、低域周波数レベルが低下しているのが分かる。これは、音楽再生では好ましくないので、リヤドライバユニット40に対しては、同相給電にすることが必要である。
図18において、破線の波形は、フロントドライバユニット30側だけに給電した特性である。一点鎖線の波形は、リヤドライバユニット40側だけに給電した特性である。又、実線の波形は、フロントドライバユニット30及びリヤドライバユニット40に同時給電した特性である。
この図19では、図18においてフロントドライバユニット30側だけに給電した場合の破線の波形Take15と、フロントドライバユニット30側及びリヤドライバユニット40側に同時給電した場合の実線の波形Take17と、が示されている。
この図20では、実線の波形Take17と破線の波形Take15との差の波形(Take17−Take15)が、二点鎖線で示されている。図15及び図16のような位相干渉が確認できる。出力音は、フロントドライバユニット30側から出る直接音Lと、リヤドライバユニット40側からの遅延音Raと、の合成であることが分かる。
図21は、遅延パイプ長Hが100mmの実験結果を示す波形図であり、横軸は周波数(Hz)、縦軸は音圧(dB)である。
図22において、破線の波形は、フロントドライバユニット30側だけに給電した特性である。一点鎖線の波形は、リヤドライバユニット40側だけに給電した特性である。又、実線の波形は、フロントドライバユニット30及びリヤドライバユニット40に同時給電した特性である。
図25は、効果確認用の回路基板を示す概略の回路図である。
図25中のTLは左耳用音声信号SLの入力端子、TRは右耳用音声信号SRの入力端子、TGは接地端子、50Lは左耳用イヤホン10Lの遅延パイプ50に相当する左耳用可変抵抗(例えば、330Ω)、及び、50Rは右耳用イヤホン10Rの遅延パイプ50に相当する右耳用可変抵抗(例えば、330Ω)である。
(2) 頭内定位改善は、スピーカ聴取時のようにはいかないが、従来のカナル型イヤホンよりは気にならない。音の横方向の広がり感のせいで、頭内定位の不自然さが和らげられている。
(3) 音場が広がったせいで、臨場感のある再生音が得られている。
(4) 延長パイプ50の長さHとしては、聴感上、100mmに比べて220mmの方が音の広がり感に勝る。延長パイプ50の長さHは、220mmが好ましいが、聴取者2の両耳間隔の違いを考慮して、その長さHを他の最適値に変更することが可能である。
(5) 構造が簡単であるため、信頼性の高い再生機能と低コスト化が可能になる。
本発明は、上記実施例1に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(c)のようなものがある。
(b) 例えば、カナル型イヤホン10は、実装構造上、小型化が要求されるので、延長パイプ50は、リング状に巻き回した構造が最適であるが、その取り付け位置等は、図4及び図5のものに限定されない。例えば、遅延パイプ50は、合成音の放出方向に沿って、リング状に巻回した構造、つまり、第2ドライバユニット40と第1ドライバユニット30との間に、合成音の放射方向(即ち、イヤホン10の軸方向)に沿って、リング状に巻回した構造にしても良い。これにより、イヤホン10の軸方向の長さを短くすることができる。
(c) 延長パイプ50は、断面が円形に限らず、四角形、多角形等の他の形状に変更しても良い。
2 聴取者
2L 左耳
2R 右耳
10 カナル型イヤホン
10L 左耳用イヤホン(第1イヤホン)
10R 右耳用イヤホン(第2イヤホン)
11 コード
20 ハウジング
30 フロントドライバユニット(第1ドライバユニット)
40 リヤドライバユニット(第2ドライバユニット)
50 遅延パイプ
60 イヤピース
Claims (7)
- 左右一対の第1音声信号及び第2音声信号を有するステレオ信号のうちの前記第1音声信号を入力して第1音波に変換する第1ドライバユニットと、
前記第2音声信号を入力して前記第1音波と同位相及び同振幅の第2音波に変換する第2ドライバユニットと、
前記第2ドライバユニットの出力側に接続された一端と開口された他端とを有し、前記一端と前記他端との間が所定のパイプ長だけリング状に巻回され、前記第2ドライバユニットで変換された前記第2音波を前記一端から導入し、前記パイプ長により前記第2音波を遅延させて、前記第2音波の位相を所定の遅延時間遅れさせて前記他端から導出する遅延パイプと、
開口部を有し、前記第1ドライバユニット、前記第2ドライバユニット、及び前記遅延パイプが収容され、前記第1ドライバユニットで変換された前記第1音波と前記遅延パイプの前記他端から導出された位相遅れの前記第2音波とを合成して合成音を再生し、前記合成音を前記開口部から放出するハウジングと、
前記ハウジングの前記開口部に突設され、前記開口部から放出された前記合成音を導く筒状の導音管と、
前記導音管に装着され、前記導音管により導かれた前記合成音を外耳道へ排出する外耳道挿入用のイヤピースと、
を備え、
前記パイプ長は、
音源から聴取者の左耳と右耳とに到来する音波の到達距離差に基づき、音の横方向の適切な広がり感を得るための前記所定の遅延時間を有する長さに設定されている、
ことを特徴とするカナル型イヤホン。 - 前記パイプ長により、前記第2音波の位相遅れを調整することを特徴とする請求項1記載のカナル型イヤホン。
- 前記第1ドライバユニットと前記第2ドライバユニットとは、
前記合成音の放出方向に対して一定距離隔てて配置され、
前記遅延パイプは、
前記合成音の放出方向に対して直交する方向に、リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項1又は2記載のカナル型イヤホン。 - 前記第1ドライバユニットは、
前記ハウジングの前記開口部側に配置され、
前記第2ドライバユニットは、
前記開口部側とは逆の前記第1ドライバユニットの後方に配置され、
前記遅延パイプは、
前記第2ドライバユニットの音波発生方向に対して直交する方向に、前記リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項3記載のカナル型イヤホン。 - 前記第1ドライバユニットと前記第2ドライバユニットとは、
前記合成音の放出方向に対して一定距離隔てて配置され、
前記遅延パイプは、
前記合成音の放出方向に沿って、リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項1又は2記載のカナル型イヤホン。 - 前記第1ドライバユニットは、
前記ハウジングの前記開口部側に配置され、
前記第2ドライバユニットは、
前記開口部側とは逆の前記第1ドライバユニットの後方に配置され、
前記遅延パイプは、
前記第2ドライバユニットと前記第1ドライバユニットとの間に、前記合成音の放出方向に沿って、前記リング状に巻回した構造になっていることを特徴とする請求項5記載のカナル型イヤホン。 - 前記パイプ長は、220mmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載のカナル型イヤホン。
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