JP2008124564A - ノイズキャンセルヘッドフォン - Google Patents

Abstract

【課題】キャンセルノイズの周波数帯域を任意に設定し変更でき、キャンセル効果量を任意に設定し変更でき、キャンセルすべきノイズレベルを任意に設定し変更できるノイズキャンセルヘッドフォンを得る。
【解決手段】環境ノイズ集音用マイクロホン１０、マイクロホン１０で検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合された信号でスピーカ３０を駆動する。キャンセル周波数帯域を設定し変更することができる周波数帯域変更スイッチＳＷ１を備えている。キャンセル信号の出力音量レベルを設定し変更することができるキャンセルノイズレベル変更スイッチＳＷ２を備えている。キャンセルすべきノイズのレベルを設定し変更することができるキャンセルノイズレベル変更スイッチＳＷ３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロホンで集音した騒音と逆位相のキャンセル信号を生成して楽音信号と混合し、混合した信号をスピーカから出力することにより、キャンセル信号音で騒音を打ち消し、楽音信号音のみを聞くことができるようにしたノイズキャンセルヘッドフォンに関するものである。

例えば、テーププレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＭＤプレーヤなど、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、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ている。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フォンもより高性能のものが求められ、さらに、街中や乗り物の中で音楽を聞こうとする場合に、周囲の騒音が聞こえないようにして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フォ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、ヘッドフォンによる再生音が高音質の再生音であっても、再生音が騒音によってかき消されて高音質で音楽を楽しむことができない。また、騒音の中で音楽を聴こうとすると、ついつい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フォンから音漏れを生じ、乗り物の中では周囲の人たちにとって不愉快な騒音原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フォ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フォンの大半はアナログ方式のノイズキャンセルヘッドフォンである。これは、ヘッドフォンに組み込んだマイクロホンで周囲の音（再生音に対してはノイズ（騒音）であるから、以下、「ノイズ」という）を捉え、捉えたノイズの位相を反転してプレーヤからの再生信号に加算する方式である。外部からヘッドフォン内部に侵入するノイズは、位相が反転された信号による音で打ち消され、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（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２００６−１４３０７号公報 特開２００５−２８７０１８号公報 特開平９−５４５９２号公報

特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載されている技術も含めて、従来のノイズキャンセルヘッドフォンの大半はアナログ方式であるが、音声信号をデジタル信号に変換しデジタル信号で処理するデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンについて技術開発が行われているところである。
従来のノイズキャンセルヘッドフォンは、アナログ方式にせよ、デジタル方式にせよ、キャンセル周波数帯域、キャンセル効果量およびノイズキャンセルレベルは、固定的に設定され、一旦設定されると、これを変更することはできない。

ヘッドフォンが使用される環境条件は常に変化している。電車の中で使用する場合であっても、例えば郊外を走行しているときと、トンネルあるいは地下を走行しているときの騒音は、周波数帯域が異なり、ノイズレベルも異なる。それぞれの周波数帯域に応じてキャンセル周波数帯域を設定し、キャンセルすべき周波数帯域の騒音のみをキャンセルすることが望ましい。
また、ノイズレベルに応じた、必要にして最低限のキャンセル効果量に変更できるようにすることが望ましい。より高音質の再生音を得るには、ノイズキャンセル効果量をなるべく少なくすることが望ましいからである。しかしながら、騒音がほとんど聞こえない状態で楽音を聞きたいのか、または、騒音がある程度聞こえてもより高い音質で楽音を聞きたいのかはユーザーの好みによる。そこで、ユーザーの好みに応じてノイズキャンセル効果量を変更可能であることが望ましい。
ノイズのレベルがある程度以下の場合、より高音質の再生音を得るには、ノイズキャンセル動作を停止させることが望ましい。しかし、キャンセル動作を停止させるノイズレベルをどのように設定するかはユーザーの好みによる。そこで、ユーザーの好みに応じてキャンセルすべきノイズのレベルを可変ないしは切り換えるようにすることが望ましい。

本発明は、以上説明した従来技術に鑑みてなされたもので、キャンセルノイズの周波数帯域を任意に設定し変更することができ、あるいは、キャンセル効果量を任意に設定し変更することができ、あるいは、キャンセルすべきノイズレベルを任意に設定し変更することができるノイズキャンセルヘッドフォンを提供することを目的とする。

本発明は、環境ノイズ集音用マイクロホンと、このマイクロホンで検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合器によって混合された信号でスピーカを駆動するノイズキャンセルヘッドフォンにおいて、キャンセル周波数帯域を設定し変更することができる周波数帯域変更スイッチを備えていることを最も主要な特徴とする。

本発明はまた、キャンセル信号の出力音量レベルを設定し変更することができるキャンセルノイズレベル変更スイッチを備えていることを特徴とする。
本発明はまた、キャンセルすべきノイズのレベルを設定し変更することができるキャンセルノイズレベル変更スイッチを備えていることを特徴とする。

ヘッドフォンを使用する環境条件によって環境ノイズの周波数帯域が異なるので、環境ノイズの周波数帯域に応じて、周波数帯域変更スイッチによりキャンセル周波数帯域を切り換える。周波数帯域を限定してノイズをキャンセルすることにより、ノイズキャンセルに伴う音質の低下を少なくして、高音質の再生が可能になる。

ヘッドフォンを使用する環境条件によって環境ノイズのレベルが異なる。一方、より高い音質で再生するにはノイズキャンセル効果量はなるべく少ない方がよい。本発明のように、キャンセル出力音量レベル変更スイッチを備えていれば、キャンセル出力音量レベル変更スイッチを操作して、ユーザーの好みに応じてノイズキャンセル効果量を任意に変更することができる。したがって、音質を重視するユーザーであれば、ノイズキャンセル効果量を抑え気味に設定し、ノイズが気になるユーザーであればノイズキャンセル効果量を多めに設定すればよい。

また、キャンセルレベル変更スイッチで、キャンセルすべきノイズレベルを任意に設定し、変更することができる。キャンセルすべきノイズレベルを低く設定すれば、低いノイズレベルからノイズキャンセル動作が行われる。キャンセルすべきノイズレベルを高く設定すれば、低いノイズレベルではノイズキャンセル動作が行なわれず、楽音信号を高い音質で再生することができる。環境ノイズを嫌うユーザーはキャンセルすべきノイズレベルを低く設定すればよく、高い音質を好むユーザーはキャンセルすべきノイズレベルを高く設定すればよい。

以下、本発明にかかるノイズキャンセルヘッドフォンの実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、デジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの実施例を概略的に示している。図１において、デジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンは、デジタル・シグナル・プロセッサ（デジタル信号処理装置：以下「ＤＳＰ」という）２０を備え、信号処理がこのＤＳＰ２０を主体として行なわれることを特徴としている。

ＤＳＰ２０を主体とするデジタル方式ノイズキャンセルヘッドフォンの例について概要を説明する。ＤＳＰ２０は、ヘッドフォンに組み込まれたマイクロホン１０で捉えられるノイズ信号Ｎを周波数分析する高速フーリエ変換器（以下「ＦＦＴ」という）と、ＦＦＴで周波数分析することにより周波数特性を検出する周波数特性検出部と、検出された周波数特性から、キャンセルする周波数帯域を選択する選択部と、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を備えている。上記キャンセル音信号−Ｎ″は、ＤＳＰ２０とは別の例えばアナログ方式の加算器によってプレーヤによる再生信号Ｓと加算して出力される。ヘッドフォンに回り込んで侵入するノイズＮは、上記キャンセル音−Ｎ″と合成されてＮ−Ｎ″の信号となり、ノイズＮの大半はキャンセルされて、ほぼ再生信号Ｓのみが残る。この再生信号Ｓによりスピーカ３０が駆動され、使用者はこの再生音Ｓを聞くことができる。

図１に示す実施例は、ＤＳＰ２０が、フィルター係数設定部２１、キャンセル効果量設定部２２、キャンセルレベル設定部２３を備えていることを特徴としている。ＤＳＰ２０は、周波数帯域ごとにフィルター係数を設定可能なＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルターを備えていて、上記フィルター係数設定部２１に、周波数帯域ごとに設定されたフィルター係数を登録している。フィルター係数設定部２１に登録されているフィルター係数は、外部から操作するスイッチＳＷ１によって任意のものを選択することができ、これによってフィルター係数を任意に設定し変更することができるようになっている。スイッチＳＷ１によってフィルター係数を選択することにより、キャンセル周波数帯域を設定し変更することができるので、スイッチＳＷ１は、キャンセル周波数帯域変更スイッチである。

なお、ＤＳＰ２０を使用しないアナログ方式のノイズキャンセルヘッドフォンの場合、上記ＦＩＲフィルターに代えて、バンドパスフィルター、ローパスフィルター、ハイパスフィルター、ローカットフィルター、ハイカットフィルターのいずれか、またはこれらのフィルターのいくつかを組み合わせたものを備える。これらのフィルターの中からキャンセル周波数帯域変更スイッチで任意のフィルターを選択するようにする。

上記キャンセル効果量設定部２２は、マイクロホン１０で集音された環境ノイズの逆位相のキャンセル信号音をスピーカ３０から出力するにあたり、キャンセル信号の出力音量レベルを段階的に設定するもので、各設定レベルがＤＳＰ２０に登録されている。この出力音量の各設定レベルは、外部から操作するスイッチＳＷ２によって任意のものを選択することができ、これによってキャンセル信号の出力音量レベルを任意に設定し変更することができるようになっている。したがって、スイッチＳＷ２は、キャンセル出力音量レベル変更スイッチである。

上記キャンセルレベル設定部２３は、マイクロホン１０で集音されて電気信号に変換される環境ノイズ信号レベルに応じて、キャンセルすべきノイズのレベルを段階的に設定するもので、各設定レベルがＤＳＰ２０に登録されている。このキャンセルすべきノイズ信号の各設定レベルは、外部から操作するスイッチＳＷ３によって任意のものを選択することができ、これによってキャンセルすべきノイズのレベルを任意に設定し変更することができるようになっている。したがって、スイッチＳＷ３は、キャンセルレベル変更スイッチである。

次に、上記実施例の動作を、図２、図３を参照しながら説明する。図２、図３において各ブロックに付した「Ｓ１」「Ｓ２」「Ｓ３」・・・は、各動作ステップを示す。図２において、ＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）２４は前記ＤＳＰ２０に含まれ、電源スイッチ２５とＩ／Ｏポート２６はヘッドフォンの任意の位置に設けられている。図１に示す三つの各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３はＩ／Ｏポート２６に含まれる。すなわち、Ｉ／Ｏポート２６は、第１のＩ／Ｏポートとしてキャンセル周波数帯域のＩ／Ｏポートを備え、第２のＩ／Ｏポートとしてキャンセル効果量のＩ／Ｏポートを備え、第３のＩ／ＯポートとしてキャンセルノイズレベルのＩ／Ｏポートを備えている。これらの各Ｉ／Ｏポートは、キャンセル周波数帯域、キャンセル効果量、キャンセルノイズレベルを複数段階にわたって設定可能で、それぞれに対応する上記各スイッチの操作によって、キャンセル周波数帯域、キャンセル効果量、キャンセルノイズレベルを選択し、設定、変更できるようになっている。

上記ＲＯＭ２４は、所定の記憶領域に、キャンセル周波数帯域のフィルター係数群が係数１から係数Ｎ１まで、キャンセル効果量の値群が値１から値Ｎ２まで、キャンセルノイズレベルの値群が値１から値Ｎ３まで登録されている。これらの係数群および値群は、上記第１、第２、第３のＩ／Ｏポートで設定可能な段階数と同じ段階数に分けて登録されている。

以下に説明する動作は、ＤＳＰ２０内の制御部にインストールされているプログラムに従って行われる。電源スイッチ２５をオンすると、まず、キャンセル周波数帯域のＩ／Ｏポートからキャンセル周波数帯域のスイッチ番号を取得し、ＲＯＭ２４内のフィルター係数群の中から上記スイッチ番号に対応するフィルター係数を指定する（Ｓ１）。続いて、キャンセル効果量のＩ／Ｏポートからキャンセル効果量のスイッチ番号を取得し、ＲＯＭ２４内のキャンセル効果量の値群の中から上記スイッチ番号に対応するキャンセル効果量の値を指定する（Ｓ２）。さらに、キャンセルノイズレベルのＩ／Ｏポートからキャンセルノイズレベルのスイッチ番号を取得し、ＲＯＭ２４内のキャンセルノイズレベルの値群の中から上記スイッチ番号に対応するキャンセルノイズレベルの値を指定する（Ｓ３）。

以上説明した図２に示す動作に続いて、図３に示す動作が行われる。前記環境ノイズ集音用マイクロホン１０で集音され電気信号に変換された環境ノイズ信号は、ＤＳＰ２０に含まれるＡＤ変換器２７によりデジタル信号に変換される。この環境ノイズのデジタル信号を取り込み（Ｓ４）、この環境ノイズを、上記ステップＳ３で指定したキャンセルノイズレベルと比較し、キャンセルを行うかどうか判断する（Ｓ５）。環境ノイズのレベルが指定したキャンセルノイズレベルより高い場合は、ステップＳ６で「キャンセルを行う」と判断し、ステップＳ７に進む。環境ノイズのレベルが指定したキャンセルノイズレベルより低い場合は、ステップＳ６で「キャンセルは行わない」と判断し、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ７では、前記ステップＳ１で指定したフィルター係数を用いて、指定されている周波数帯域の打ち消し音を作成する。さらに、前記ステップＳ２で指定したキャンセル効果量の値を用いて、打ち消し音の効果量を設定ないしは変更する。このようにして、指定された周波数帯域において、指定されたキャンセル効果量に応じた打ち消し音信号を出力する（Ｓ９）。出力された打ち消し音信号は、前記ＤＳＰ２０に含まれるＤＡ変換器２８によってアナログ信号に変換される。プレーヤで再生された楽音信号と、アナログ信号に変換された上記打ち消し音信号が図示されない混合器で混合され、混合された信号に従ってドライバ（電力増幅器）がスピーカを駆動し、スピーカから音声が出力される。この音声は、楽音と打ち消し音が混合されたものであり、打ち消し音はヘッドフォン内に侵入する環境ノイズを打ち消し、楽音信号のみがユーザーの耳に届く。

電源スイッチ２５がオンになっている間、以上のノイズキャンセル動作を繰り返す。電源スイッチ２５がオンになってノイズキャンセル動作中であっても、動作停止中であっても、図１に示すスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３によってフィルター係数、キャンセル効果量、キャンセルレベルを変更することができ、変更後はそれぞれの設定値に従ったノイズキャンセル動作を行う。

以上説明した実施例によれば、キャンセルしたい周波数帯域のみを選択してキャンセルすることができ、キャンセルしたくない周波数帯域はキャンセルしないように、ユーザーの望みに応じたキャンセル周波数帯域を設定することができる。
キャンセル信号の出力音量レベルを任意に変更することができるため、ユーザーが必要とする以上のノイズキャンセルを行なわないようにすることができる。
ノイズキャンセルしたくないノイズのレベルでは、ノイズキャンセル動作を停止させてノイズ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フォンの実施例を示すブロック図である。 上記実施例の動作を示すフローチャートである。 上記実施例の動作を図２に続いて示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 環境ノイズ集音用マイクロホン
２０ ＤＳＰ
３０ スピーカ
２４ ＲＯＭ

Claims (8)

1. 環境ノイズ集音用マイクロホンと、このマイクロホンで検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合器によって混合された信号でスピーカを駆動するノイズキャンセルヘッドフォンにおいて、
   キャンセル周波数帯域を設定し変更することができる周波数帯域変更スイッチを備えているノイズキャンセルヘッドフォン。
2. キャンセル周波数帯域を設定するフィルターを備え、このフィルターを周波数帯域変更スイッチが切り換えることによりキャンセル周波数帯域を設定し変更する請求項１記載のノイズキャンセルヘッドフォン。
3. フィルターはＦＩＲフィルターであり、そのフィルター係数がデジタル信号処理装置（いか「ＤＳＰ」という）に登録されていて、周波数帯域変更スイッチは上記フィルター係数を切り換える請求項２記載のノイズキャンセルヘッドフォン。
4. フィルターは特定の周波数帯域の信号を通過させまたは遮断する複数のフィルターからなり、周波数帯域変更スイッチは上記複数のフィルターの中から任意の一つまたは複数を選択する請求項２記載のノイズキャンセルヘッドフォン。
5. 環境ノイズ集音用マイクロホンと、このマイクロホンで検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合器によって混合された信号でスピーカを駆動するノイズキャンセルヘッドフォンにおいて、
   キャンセル信号の出力音量レベルを設定し変更することができるキャンセル出力音量レベル変更スイッチを備えているノイズキャンセルヘッドフォン。
6. 環境ノイズ集音用マイクロホンと、このマイクロホンで検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合器によって混合された信号でスピーカを駆動するノイズキャンセルヘッドフォンにおいて、
   キャンセルすべきノイズのレベルを設定し変更することができるキャンセルレベル変更スイッチを備えているノイズキャンセルヘッドフォン。
7. キャンセルレベルがＤＳＰに登録されていて、キャンセルレベル変更スイッチは上記キャンセルレベルを切り換える請求項６記載のノイズキャンセルヘッドフォン。
8. 環境ノイズ集音用マイクロホンと、このマイクロホンで検出される環境ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成部と、生成されたキャンセル信号と楽音信号を混合する混合器を有し、混合器によって混合された信号でスピーカを駆動するノイズキャンセルヘッドフォンにおいて、
   キャンセル周波数帯域を設定し変更することができる周波数帯域変更スイッチと、
   キャンセル信号の出力音量レベルを設定し変更することができるキャンセル出力音量レベル変更スイッチと、
   キャンセル信号レベルを設定し変更することができるキャンセルレベル変更スイッチを備えているノイズキャンセルヘッドフォン。

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