(57)【要約】【課題】少なくとも３ｋＨｚまで著しい周辺雑音低減を達成することができる装置を提供することを目的としている。【解決手段】フィードフォーワード周辺雑音低減装置（１０）は、筐体内に聴取者の耳に音エネルギを向けるためのラウドスピーカデバイスを含む。複数のマイクロホンデバイス（２１〜１５）が、聴取者の耳までの途中で周辺雑音を検知するように筐体の外側に配置され位置決めされる。このマイクロホンデバイスは、周辺雑音に反対する音響信号を生成するために、ラウドスピーカに対して適用するために、検知された周辺雑音を電気信号に変換することができる。装置は、聴取者の耳への前記周辺雑音の到達と時間合わせして、音響信号が前記ラウドスピーカ手段によって生成される。【選択図】図４ａ
2009535655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
耳の耳道に対する入口位置に隣接して配置されるときに、音声エネルギを聴取者の耳に向けるために、前記筐体内に支持されるラウドスピーカ手段と、
前記筐体の外側に位置し、前記入口位置に接近する周辺雑音を検知するように位置決めされる複数のマイクロホン手段と、
前記周辺雑音に反対の音響信号を生成するために、前記ラウドスピーカに適用するために、検知された周辺雑音を電気信号に変換する手段と、
を備える周辺雑音低減装置であって、
前記音響信号は、前記入口位置で前記周辺雑音の到達と時間合わせをして、前記ラウドスピーカ手段によって生成されるように構成される装置。
【請求項２】
前記音響信号および前記周辺雑音が、４０μｓ以下に前記入口位置で時間合わせされるように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記音響信号および前記周辺雑音が、２５μｓ以下に前記入口位置で時間合わせされるように構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数のマイクロホン手段が、前記ラウドスピーカ手段に関する前記筐体の少なくとも一部を形成するイヤパッドの周縁部に隣接するアレイに構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
ラウドスピーカ手段は、ラウドスピーカ手段から各マイクロホン手段までの既知の半径方向の距離であるように、筐体内に配置される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記マイクロホン手段のアレイは、前記イヤパッドの周縁部の周囲に延在する、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
前記マイクロホン手段は、前記周縁部の周囲に等角に分散される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記マイクロホン手段のアレイは、携帯電話ハンドセットのラウドスピーカ開口部の周囲に、およびラウドスピーカ開口部から半径方向に離隔される、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記マイクロホン手段からラウドスピーカの近傍まで周辺雑音を伴う経路は、必要な時間合わせが達成されるように生成されることになっている雑音低減音響信号のために十分な時間を提供する、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
入射周辺雑音に対する前記マイクロホン手段および前記ラウドスピーカ手段の相対的な位置および配置は、前記ラウドスピーカ手段の性能特性を考慮して選択され、必要な時間合わせを確保する、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記マイクロホン手段は、全体として、相当の範囲の角度からイヤホンに入射する周辺音に対して均一に応答するように位置決めされる、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数のマイクロホン手段は、共通の円形の場所に沿って等角に配置される少なくとも３つのマイクロホンデバイスを備える、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記マイクロホン手段を相互接続するためおよび、処理のための共通の位置にそれらの出力を搬送するための少なくとも一方のために構成される電子部品の前記場所の要素が、前記場所に沿って分散される、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
電子部品の少なくとも一部が、プリント回路として構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
処理は、結合、位相反転および振幅調整の１つ以上を含む請求項１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
各前記マイクロホン手段は、それぞれの開口部および管路によって周辺雑音に曝される、請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
各前記開口部および管路に関連付けられ、１つ以上の選択された周辺雑音特徴に同調される１つ以上の音響要素をさらに備え、前記１つ以上の特定の特徴に関して強化した雑音低減を提供する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記音響要素は、ヘルムホルツ共鳴器および４分の１波長共鳴管路の１つ以上からなるか、またはヘルムホルツ共鳴器および４分の１波長共鳴管路の１つ以上を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ラウドスピーカ手段の音響投射軸は、聴取者の耳道の長手軸と整列状態にある、請求項１から１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
各前記マイクロホン手段は、エレクトレットマイクロホンを含む、請求項１から１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
各前記エレクトレットマイクロホンは、飽和状態で動作される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記マイクロホン手段は、並列に接続される、請求項１から２１のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イヤホンを用いる聴取者によって認識される周辺雑音の低減または相殺のための装置に関する。本出願において、「イヤホン」なる語は、聴取者の耳の外側に配置されたラウドスピーカを組み込んでいるデバイス、たとえば、「イヤパッド」または「イヤシェル」筐体の一部または携帯電話などのアセンブリの一部として、耳の近くに保持されるデバイスに関することを意図している。
【背景技術】
【０００２】
イヤホンのラウドスピーカは、周辺雑音から区別されることになっている音声源または他の源に連結されてもよく、またはラウドスピーカは、周辺雑音の低減のためだけに設けられてもよいが、本発明は、パーソナル音楽プレイヤおよびセルラー電話などの携帯電子デバイスと共に用いられるイヤホンに特に適用される。
【０００３】
現在、一部のイヤホンは、短い導線およびコネクタを介して音源に直接つなげられており、一部のイヤホンは、「ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）」形式などのワイヤレスリンクを介して、パーソナル音楽プレイヤまたはセルラー電話などの局所的な音声生成デバイスに接続されている。本発明は、有線形式およびワイヤレス形式の両方と共に用いられることができる。
【０００４】
イヤホン用の既存の周辺雑音相殺システムは、２つの全く異なる原理の一方または他方、すなわち、「フィードバック」法および「フィードフォーワード」法に基づいている。
【０００５】
フィードバック法は、イヤホンラウドスピーカの前に直に配置された小型マイクロホンのイヤホンシェルの内側と、耳との間に形成される空隙(cavity)の内部で用いることに基づいている。マイクロホンから導出された信号は、ネガティブフィードバックループ（反転増幅器）を介してラウドスピーカに戻るように連結され、その結果、ラウドスピーカがマイクロホンでゼロの音圧レベルを常に生成しようとする簡単なサーボシステムを形成する。この原理は簡単であるが、その実装は、実際的な問題を呈し、約１ｋＨｚ以下に動作の上限周波数を制限する。さらに、効果的な受動的な（passive）音の減衰は、この１ｋＨｚ制限を超える周辺雑音の侵入を防止するように提供されなければならず、これは、これらの周波数を遮断するように設計された耳を包みこむ密閉(seal)を提供することによって行われる。フィードバックシステムの性能を改善する最近の試みは、米国特許公開ＵＳ２００５／０２４９３５５Ａ１号明細書に記載されている。
【０００６】
さらに、音楽または話し声が、ユーザのイヤホンに供給されることになっている場合には、これらの必要な信号がフィードバックシステムによって相殺されないように対策を講じなければならず、この処理は、イヤホンの音響特性に望ましくないスペクトルの谷と山を挿入し得る。さらに、このタイプのフィードバックシステムは、動作空隙は、周辺から実質的に分離される必要があり、「イヤパッド」型フィードバックデバイスは、２０数年前から提案されているが、このタイプのイヤホンはまだ市販されていないと考えられる。フィードバックシステムは、スイッチを入れたとき、または動作状態が変化したときに、「ハウリング（ｈｏｗｌ  ａｒｏｕｎｄ）」振動状態になりやすい。
【０００７】
したがって、本発明による装置は、フィードフォーワード原理のみを利用し、図１における基本形態に示されている。
【０００８】
フィードフォーワード動作において、マイクロホンＡは、周辺雑音信号を検出するために、イヤホンシェルＢの外部に配置される。マイクロホンＡによって検出された信号は、Ｃで反転され、ラウドスピーカＤに印加される駆動信号に加算され、したがって、「相殺信号」を生成する。その狙いは、イヤホンシェルＢと聴取者の外耳Ｅとの間の空隙内にイヤホンラウドスピーカの出口ポート(outlet port)に隣接して、相殺信号と入射周辺音声の雑音信号との間に弱め合う波の相殺が発生することである。これが生じるために、相殺信号は、入射雑音信号の大きさに実質的に等しい大きさを有していなければならず、反対の(opposite)極性（すなわち、雑音信号に関して位相が反転または１８０°シフトされる）でなければならない。
【０００９】
聴取者の外耳Ｅの快適性を提供するため、および／または聴取者の耳に達する周辺雑音を低減するのを支援するために、イヤホンシェルＢは通常、フォームパッドＦまたは類似のデバイスを保持する。
【００１０】
フィードフォーワードの周辺雑音相殺は原則的に、実装しやすい。通常のイヤホンと共に用いるための基本作動システムは、イヤホンの音声駆動信号と混合する前に、そのアナログ信号を増幅して反転するために、簡単なエレクトレットマイクロホンカプセル(electret microphone capsule)および１対の演算増幅器を用いて、きわめて低いコストで組み立てられる。これは、周辺雑音の大きさに等しいように相殺信号の大きさを調整するために、ポテンショメータ(potentiometer)などの調整可能なゲインデバイスによって行われる。雑音相殺のいくつかの手段は、この方法を用いて達成されるが、完璧には程遠い。にもかかわらず、フィードフォーワード原理は、現在市販である数々のイヤホンの基本をなしている。しかし、相殺信号が最適に調整されて釣り合いがとられる場合であっても、相当の残留する雑音信号が依然として残り、最もよく市販されているシステムが、約１ｋＨｚ未満で動作するのみということを目にするのが一般的であり、したがって、フィードバック法の帯域幅よりわずかに大きな帯域幅を提供するにすぎない。声のスペクトルは３．４ｋＨｚまで達することを念頭に置くと、たとえば、遠距離通信リンクを介した対話の理解度を著しく改善するために、任意の関連雑音相殺システムは、現在入手可能なシステムの性能を十分に超える帯域幅を要求する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、少なくとも３ｋＨｚまで著しい周辺雑音低減を達成することができる装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、筐体(housing)と、耳の耳道に対する入口位置に隣接して配置されるときに、音声エネルギを聴取者の耳に向けるために、上記の筐体内に支持されるラウドスピーカ手段と、上記の筐体の外側に位置し、上記の入口位置に接近する周辺雑音を検知するように位置決めされる複数のマイクロホン手段と、上記の周辺雑音に反対の音響信号を生成するために、上記のラウドスピーカに適用するために、検知された周辺雑音を電気信号に変換する手段と、を備える周辺雑音低減装置であって、上記の音響信号は、上記の入口位置で上記の周辺雑音の到達と実質的に時間合わせして、上記のラウドスピーカ手段によって生成されるように構成されている装置が提供される。
【００１３】
この手段によって、マイクロホン手段における周辺雑音の検知と、聴取者の耳道に対する入口位置への周辺雑音の到達との時間差を利用し、入口点に達するときに、周辺雑音自体と時間において実質的に位置合わせされる雑音低減信号または雑音相殺信号を生成する。
【００１４】
一部の好ましい実施形態において、マイクロホン手段のアレイは、ラウドスピーカ用の筐体の一部を形成するイヤパッドの周縁部の周囲に延在するように設けられ、ラウドスピーカ手段は、筐体内に配置され、ラウドスピーカ手段から各マイクロホン手段までの既知の半径方向の距離があるようになっている。他の好ましい実施形態において、マイクロホン手段のアレイは、携帯電話ハンドセットのラウドスピーカ開口部の周囲に、およびラウドスピーカ開口部から半径方向に離隔された状態で設けられてもよい。いずれの場合においても、以下に詳細に記載されるように、マイクロホン手段からラウドスピーカの付近まで周辺雑音を伴う半径方向の経路は、必要な時間合わせが達成されるように生成されることになっている雑音低減音響信号のための十分な時間を提供する。
【００１５】
特に好ましい実施形態において、入射周辺雑音に対するマイクロホン手段およびラウドスピーカ手段の相対的な位置および配置は、必要な時間合わせを確保するように、ラウドスピーカ手段の性能特性を考慮して選択される。
【００１６】
マイクロホン手段は、全体として、相当の範囲の角度から入射周辺音に対して実質的に均一に応答するように配置されることが特に好ましい。
【００１７】
一部の好ましい実施形態において、少なくとも３つおよび好ましくは少なくとも５つのマイクロホン手段が、入射周辺雑音を検知するように設けられる。さらに、そのような数のマイクロホン手段が設けられる場合には、共通の場所の周囲に実質的に等角に配置されることが好ましい。
【００１８】
場所は、マイクロホン手段を相互接続するため、および／または処理のための共通の位置にそれらの出力を搬送するように構成される電子部品の要素を好都合に保持してもよい。
【００１９】
電子部品は、プリント回路として設けられてもよく、処理は、結合、位相反転および振幅調整を含んでもよい。
【００２０】
任意またはすべてのマイクロホン手段は、開口部および管路によって、周辺雑音に曝されてもよく、開口部および管路は、１つ以上の選択された周辺雑音特徴に対して同調される音響要素をさらに含み、上記の１つ以上の特定の特徴に関して強化した雑音低減を提供してもよい。
【００２１】
前述したようなこのような音響要素は、ヘルムホルツ共鳴器および／または４分の１波長共鳴管路からなるか、またはヘルムホルツ共鳴器および／または４分の１波長共鳴管路を含んでもよい。
【００２２】
すべての実施形態において、ラウドスピーカ手段の音響投射軸は、聴取者の耳道の長手軸と実質的に整列状態にあることが好ましい。
【００２３】
本発明が明確に理解され、容易に実行されるようにするために、その一定の実施形態がここで、一例としてのみ添付図面を参照して記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の詳細な実施形態を記載する前に、一般的な説明によって、図１に関して記載された類の従来のフィードフォーワード装置を用いて関連付けられる大きな問題を示す図２を参照されたい。図２は、必要に応じて、図１の対応する構成要素に適用されるものと同一の参照符号を用いる。
【００２５】
図２ａは、簡単なフィードフォーワード周辺雑音相殺システムを示し、図の上側で、前部方向(frontal direction)（方位角０°）でイヤホンを着用する聴取者の耳道平面にかけての断面の簡略平面図に示されているように、マイクロホンＡは、中央の位置でイヤホンシェルＢに取り付けられる。
【００２６】
音波ＳＦが前部方向から入射すると、図示されているように、音響経路長が異なるため、波面がマイクロホンＡよりわずかに遅れて聴取者の鼓膜Ｇに達する。マイクロホンまでの長さＸの経路と、イヤホンの下にある耳道Ｈの長手軸との交差点Ｐ（この点は耳道に対する入口位置にある）までの長さＸの経路の両方を進んだ後、波は、鼓膜Ｇに達するまでさらなる距離Ｙを横切らなければならない。経路長Ｙは、耳道Ｈの長さ（通常２２ｍｍ）および耳殻Ｊの深さ（通常１７ｍｍ）および約５ｍｍの耳の上の小さな空隙の和に略等しく、合計４４ｍｍとなり、対応する移動時間は１２８μｓである。
【００２７】
しかし、図２ｂに示されているように、横位置（すなわち、方位角９０°）からの入射方向である場合には、波面ＳＬは、最初にマイクロホンＡに達するが、上述の入口位置Ｐおよび鼓膜Ｇまでさらなる経路の距離は、今度は、前よりはるかに大きい。ここで、マイクロホン自体までの経路ＸおよびイヤホンシェルＢの縁と一致する平行な位置までの経路Ｘを進んだ後、波ＳＬは、鼓膜Ｇに達する前に、さらなる距離ＺのほかＹを横切らなければならない。
【００２８】
その結果として、聴取者に対する音源の方向に応じて、マイクロホンＡおよび点Ｐ（および、引いては鼓膜Ｇ）において波面ＳＦおよびＳＬの相対的な到達時間において相当の著しい変動があり、これらの到達時間は、２つの経路の間の差Ｚから生じる。
【００２９】
適切な耳道シミュレータまたは等価物が、音響構造に組み込まれ、鼓膜位置までの正確な伝搬遅延測定を保証するのであれば、これらの到達時間の変動は、ヒトの頭および耳の音響特性を複製する「人工頭部(artificial head)」システムを用いて測定される。たとえば、米国特許第ＵＳ６，６４３，３７５号明細書の開示は、本発明者によって開発された１つの可能な測定システムについて記載している。測定は、イヤホンおよびマイクロホンシステムを有する方位角の選択された角度で人工頭部から約１ｍの距離に参照ラウドスピーカを耳と同一の水平面において取り付け、次に、ラウドスピーカの中に周波数８Ｈｚで繰り返される１ｍｓの矩形パルスなどの高速非定常波を駆動することによって行われる。これにより、波面の到達が（ａ）人工頭部における耳道中のマイクロホンからの信号および（ｂ）イヤホンシェルの外側に取り付けられたマイクロホンからの信号を同期して同時に記録することによって、正確に識別することを可能にする。
【００３０】
人工頭部および耳システム（耳道を備える）に取り付けられた直径５０ｍｍのイヤホンモジュールに適合される中央取付型周辺雑音マイクロホンからの代表的なペアの測定が、図３に２つの波形ペアの形態で示されており、各ペアは、オシロスコープから同期して同時に記録される。各波形ペアは、ＭＣで耳道位置に置かれる人工頭部マイクロホンからの信号を示し、ＭＥで外部周辺雑音記録マイクロホンからの信号を示す。図３は、音源が前部方向（方位角０°、たとえば、図２ａにおけるＳＦ）にあるときに、音波面が、鼓膜に達する前に外部マイクロホンで１６１μｓに到達することを示す。しかし、音源が方位角９０°（たとえば、図２ｂにおけるＳＬ）にあるとき、この時間差は、さらに大きくなり、すなわち３００μｓであり、中間方向において、到達時間差は、これらの２つの極値の間のどこかに位置し、したがって、約１４０μｓだけ変化する。
【００３１】
到達時間の差が音源の方向に基づいて相当に変化するため、任意の種類の時間合わせ（alignment）がこの種の装置によって達成されることができるかを理解することは困難である。システムが１つの特定の方向に関して作用するように構成されることが可能であったとしても、他の方向のすべてに関しては無効となる。
【００３２】
図１に示された類の簡単なフィードフォーワード装置を実装する際のさらなる問題は、関連する重要なタイミング要素に関して影響のあることが本発明者によって明らかにされた一般的なラウドスピーカの有限の応答時間特性による。この問題点については、以下にさらに詳細に説明する。
【００３３】
ここで、本発明の特定の実施例に目を向けると、ここで記載されることになっている本発明の一部の実施形態による装置は、イヤホンに関連する周辺雑音相殺のためのフィードフォーワードシステムと連動して、イヤホンシェル、ケーシングまたはパッドの周縁部の周囲に形成される分散型マイクロホンのアレイを利用する。
【００３４】
そのような装置は、従来のフィードフォーワードシステムに関連して上述した２つの重大な問題、すなわち（ａ）音源方向における変化のために鼓膜までの経路長に対する周辺雑音における相当の変動および（ｂ）電気音響変換器に関連するタイムラグに適切に対処することによって、鼓膜で、周辺雑音信号に対する相殺信号の改善した時間合わせを可能にする。したがって、本発明は、こまで可能であった周波数より高い周波数で動作し、また本質的に実質的に全方向性であるフィードフォーワードに基づく装置を提供する。
【００３５】
第１のステップとして、複数のマイクロホンは、周辺雑音を検出するために用いられ、これらのマイクロホンは、音の前方方向で音響経路長における変動を低減するように置かれる。実際には、２つのみのマイクロホンを用いることにより、従来技術で用いられる単独マイクロホン構成に対する改善をもたらす場合であっても、３つ以上のマイクロホンが用いられることが好ましい。本発明の好ましい実施形態のすぐ後の説明において、イヤホンの縁部の周囲に７２°の間隔で離隔される５つのマイクロホンの均等分散アレイが用いられる。
【００３６】
図４は、本発明の１つの基本的な実施形態の３つの簡略図を示す。図４ａは、外耳にあるイヤホン１０に面する平面図を示し、５つのマイクロホンの位置の１つを通る半径方向の断面軸Ａ−Ａ’を示しており、図４ｂは、軸Ａ−Ａ’による断面正面図である。本発明のこの実施形態は、イヤホンカプセル１０の縁部２０の周囲および近い位置で筐体(housing)に取り付けられた５つの小型エレクトレットマイクロホン２１、２２、２３、２４および２５の分散アレイを含むように示されている。マイクロホン取り付け装置の詳細は、図４ｃに示されている。２１などの各マイクロホンは、その入口ポート２６が、通常、マイクロホンと略同じ幅であり、高さ０．５ｍｍ、長さ数ｍｍの短い管路２７を介して、周辺空気に曝されるように取り付けられる。これらの寸法は重要ではなく、管路は、図４ａの平面図に示されている。マイクロホン膜にわたる内圧を平衡状態に保つために、各マイクロホンの後部もまた、漏れ経路(leakage path)（図示せず）を介して周辺空気に曝される。好ましくは、２１などの各マイクロホンは、電気送出接続を簡単にするために、共通のプリント回路基板（ＰＣＢ）２８に強固に取り付けられ、後述するように、関連電子回路を簡単にするために、マイクロホンを並列に構成することが好都合でもある。マイクロホンは、音響的に可能な限りにおいてラウドスピーカから分離される。好ましいのであれば、最も外側の面に配置されることもできるが、好ましくは、マイクロホン入口ポートは、イヤホンの縁部の周囲に配置される。
【００３７】
イヤホンカプセル１０は、種々の構成要素用の筐体として作用するケーシング１１を備え、その中で、直径が通常３４ｍｍの高コンプライアンスマイクロスピーカ１２が、最も下の縁にある保護グリル１３を介して露出されるその振動板を備えるように取り付けられ、保護グリル１３の上にフォームパッド１４が装着され、聴取者の外耳に対して快適に置かれるようになっている。あるいは、より高い周波数（＞４ｋＨｚ）で改善した音響分離のために、従来のフォームを充填したレーザスキンの環状リングが、これらに代わって用いられることができる。高コンプライアンス負荷、通常は容積において数ｍｌを提供するために、ラウドスピーカには、後部空隙１５が設けられ、好ましくは、これは、音響フォームを用いて減衰され、ラウドスピーカ１２の基本共鳴を最小限に抑える。また、好ましくは、後部の容積は、後部負荷コンプライアンスを最大限にするために、１６などの１つ以上の開口部を通じて周囲に通じている。通気孔は、１０ｍｍ以上、２６などのマイクロホン入口ポートから離隔されることが好ましい。
【００３８】
イヤパッドイヤホンに関して、イヤホンユニットは、音響的に非透過性であることから、各イヤホンアセンブリは、聴取者の耳の耳介に隣接し、耳介に接触する音響バッフルとして動作する。聴取者に快適な面と、外耳と周囲との間の音響密閉のいくつかの小さな測定器(measure)を提供するために、通常、薄いフォームラバーパッド１４は、厚さ３ｍｍ〜６ｍｍであり、イヤホンの表面を覆うように用いられる。この後者の測定器は、３つの目的、すなわち、（ａ）イヤホンの低周波数応答を増大するため、（ｂ）イヤホンから周囲への外向きの音響放射を制限するため、および（ｃ）環境からの周辺雑音の侵入を低減するために機能するが、これは、約４ｋＨｚ未満のより低い周波数ではあまり効果がない。
【００３９】
本発明のこの実施形態による重要な特徴は、以下の通りである。イヤホン１０は、バッフルとして作用するので、周囲から鼓膜への音響漏れ経路は、耳道に対する軸にある入口位置に達する前に、イヤホンアセンブリの直径の２分の１を横切らされる。したがって、イヤホンの縁部２０またはその付近にマイクロホン２１〜２５を配置することによって、鼓膜に到達する前に、周辺雑音信号が取得され、電気音響変換器１２に追いやられることができ、したがって、電気音響変換器１２の固有の応答時間を補償する。さらに、これは、すべての方向から達する波面に適用する。
【００４０】
たとえば、図４、図５に関して記述されたような装置に関して、（図２の様式において）方位角０°（図５ａ）にある前部雑音源ＮＦから鼓膜までの音響経路および方位角９０°（図５ｂ）にある横雑音源ＮＬから鼓膜までの音響経路の図が、示されている。この特徴を示すために、音響経路は、簡略化され、３つの概念的な断面Ｘ’、Ｙ’およびＺ’に分割された。
【００４１】
この段階で、説明を最初に明確にするために、関与する時間遅延に関しておおよそ示して定量化するために、マイクロホンの１つのみ（２１）を介して信号経路が、考えられる。
【００４２】
図５ａを参照すると、前部源の波面ＮＦは最初に、イヤホンの縁部２０に達し、経路Ｘ’を辿り、マイクロホン２１によって検出される。次に、鼓膜Ｇに達するために、波面ＮＦはイヤホンの半径（経路Ｚ’）を横切り、耳殻Ｊの深さおよび耳道Ｈの長さ（ここでは合わせて経路Ｙ’とする）を辿らなければならない。しかし、相殺信号は、経路Ｚ’をバイパスする。したがって、フィードフォーワード電子回路において時間遅延がないと仮定すると、相殺信号は、耳道の中心軸にある入口位置Ｐ（すなわち、経路Ｙ’とＺ’との間の交差点）に周辺雑音信号が到達する前に、イヤホンのラウドスピーカに送信されることができる。イヤホンのラウドスピーカの応答時間に半径方向経路長Ｚ’の飛行時間を適合させることによって、実質的に正しい時間合わせが達成されることができる。好都合なことに、これは、実際には実現可能なイヤホンの直径によって実現されることができる。たとえば、直径６０ｍｍのイヤホンは、３０ｍｍの半径方向の経路距離を有し、これは８７μｓの飛行時間に対応し、多くの小さなイヤホンラウドスピーカの固有の応答時間に十分に適合される。
【００４３】
ここで図５ｂを参照すると、方位角９０°にある横雑音源から到達する雑音波面ＮＬに関して類似の過程が生じることが分かる。イヤホン１０の存在により、波面ＮＬが耳に直接進まないようにし、したがって、構造の周囲へ横切らせ、図５ａの前部方向から導出される波面ＮＦの経路と類似の経路を辿る。鼓膜Ｇに達するために、波ＮＬは、イヤホンの縁部２０に到達した後、２１などの１つ以上のマイクロホンによって検出され、次に、イヤホンの半径（経路Ｚ’）に沿って横切り、耳殻の深さおよび耳道の長さ（経路Ｙ’）を辿らなければならない。したがって、既に述べたように、耳道の中心軸上の入口位置Ｐに雑音信号が到達する前に、ラウドスピーカは、縁部のマイクロホンから導出される相殺信号によって駆動されることができる。
【００４４】
前述の説明において、説明の該当する段階を簡単にし、関与する時間遅延に関しておおよそ定量化するために、１つのマイクロホン（２１）のみの寄与が考えられた。しかし、過程が、幾分さらに複雑であることは十分に認識される。本発明者は、波面がイヤホンユニットに到達し、次にイヤホンユニットを横切るときに、図６に示したように、連続的な回折過程がイヤホンの縁部の下で生じ、波面がイヤホンアセンブリにわたって完全に通過されるまで外耳とイヤホンとの間の空隙へのこれに続く音響漏れを伴うことを観察した。
【００４５】
図６は、前部源の波面ＮＦ’の場合に生じるこの過程を示しており、この過程では相互作用過程が最も長い。図６ａは、イヤホンの下に漏れ経路Ｌ１を有するイヤホンケーシング１１の前（前部）縁の波面ＮＦ’の到達を示している。波ＮＦ’がイヤホンを横切って、中央位置（図６ｂ）に達すると、侵入漏れ経路は、イヤホン縁部２０の周囲および下で回折によって生じる。波面ＮＦ’がイヤホン１０の横方向を完全に進み、後（後方）縁（図６ｃ）から離れると、波面は、イヤホン縁部２０の周囲および下で戻るように回折し、したがって、イヤホン１０と外耳との間の音圧レベルに依然として寄与することになる。
【００４６】
この現象は、方向に左右される。波面が前部雑音源から来る場合には、音響エネルギは、たとえば、６０ｍｍのイヤホンシェルを横切ることになっている波面がかかる期間に関連する時間、約１７５μｓにおいて分散される。しかし、入射波面が、イヤホンに対して垂直に（たとえば、方位角９０°から）入射する場合には、エネルギはすべて同時に達し、時間に関してそのように分散されることはない。
【００４７】
したがって、周囲から鼓膜までのインパルス応答（および関連する伝達関数）は、図３において既に示されているように、音源方向によって相当変化する。前部雑音源のインパルス応答は、横雑音源のインパルス応答より（ａ）はるかに小さいピーク振幅および（ｂ）長い持続時間を有することが分かる。しかし、本発明による装置は、効果的にイヤホンの縁部の周囲の音圧レベルを積分して、時間の関数として全体的な動的漏れ駆動ＳＰＬを表す信号を生成するために、これを自動的に考慮する。
【００４８】
人工頭部および耳システム（耳道を有する）に取り付けられた直径５０ｍｍのイヤホンモジュールに組み込まれた５−マイクロホン分散型アレイによる一般的なペアの測定値が、２つの波形ペアの形態で図７に示されており、各ペアは、オシロスコープから同期して同時に記録される。各波形ペアは、耳道位置に置かれる人工頭部マイクロホンからの信号ＭＣを示し、５−マイクロホン分散型アレイからの信号ＭＡを示す。図７は、音源が前部方向（方位角０°）にあるときに、音波面が、鼓膜に達する前に外部マイクロホンで２００μｓに到達することを示す。しかし、音源が方位角９０°にあるとき、この時間差は、ほんのわずか大きくなり、すなわち２５０μｓである。中間方向において、到達時間差は、これらの２つの値の間のどこかに位置し、したがって、（単独のマイクロホンの１４０μｓの変動とは対照的に）合わせて５０μｓだけ変化する。この±２５μｓの変動は、２ｋＨｚで−１０ｄＢの相殺を達成するのに十分であると本発明者によって示された時間合わせ度を提供する。
【００４９】
鼓膜に対する周囲の漏れのインパルス応答（図３）およびマイクロホンアレイに対する周囲の漏れのインパルス応答（図７）は、互いに直接的に比較可能ではないことを留意すべきである。前者のインパルス応答は、イヤホンの下の音響経路および耳道の影響を含むのに対して、後者のインパルス応答は、これらの影響を含まないためである。これらの図は、２つのインパルス応答の間の大きさおよび持続時間における変化の類似性と、方向依存性の類似性を示すために提供されているに過ぎない。
【００５０】
概念的には、イヤホン／外耳空隙への全体的な周辺雑音漏れは、耳道を通る長手軸の中心に置かれる中心ノードを含む入口位置で交わる多数の要素の半径方向の漏れ経路の和であると考えることができる。したがって、半径方向の要素の漏れ経路の概念上の中心にある周辺雑音信号は、イヤホン１０の縁部２０から位置Ｐまで伝搬した後、要素の寄与の時間と共に変化する和である。
【００５１】
要素の漏れ経路が類似の音響インピーダンスを有する場合には、半径方向の要素の漏れ経路の概念状の中心Ｐにおける周辺雑音ＳＰＬは、半径方向の伝搬遅延後、要素の漏れ経路のイヤホンの縁部２０の周囲の外側の点における各ＳＰＬの時間と共に変化する和を表す。この概念状の中心の周辺雑音ＳＰＬは、外耳および耳道を駆動するものであり、この信号が、本発明の原理に基づいて、その周辺雑音の発生の前に分散型リング状マイクロホンアレイ２１〜２５が検出して調整する。
【００５２】
本発明の有効性は、最も市販されている耳載せ型雑音相殺イヤホンの１つの性能を図４に示され本発明の一実施形態による類の５−マイクロホン分散型アレイの性能と比較することによって、最もよく実証され得る。主要メーカーによる市販のイヤホンは、評価される４つの異なるセットの最良の性能を実現するものとして選択された。５−マイクロホン分散型アレイ信号は、その有効性を示すために、フィルタリングまたは他の信号処理（増幅および反転以外）を行うことなく、簡単なフィードフォーワード雑音相殺装置において用いられた。測定は、耳道デバイスを備えた人工耳を特徴とする人工頭部システムで行われた。イヤホンは、雑音相殺を作動させない状態で人工頭部に配置され、人工頭部への周波数応答が、距離１ｍおよび水平面において方位角４５°で標準的な方法（ＭＬＳシーケンスおよび掃引正弦波の両方）を用いて、小型ラウドスピーカから測定された。次に、フィードフォーワード雑音相殺を作動させ、測定が繰り返された。結果は、基準マイクロホン（Ｂ＆Ｋ４００３）で行われた事前の参照測定値を差し引くことによって、ラウドスピーカの音色を排除するために処理され、市販のイヤホンに関して図８に示され、本発明の一実施形態による５−マイクロホンアレイを組み込んだイヤホンに関して図９に示されている。
【００５３】
図８は、人工頭部における耳道マイクロホンから得られた３つの周波数応答グラフの形態で市販の耳載せ型雑音相殺イヤホンから得られた測定値を示している。第１のプロット（Ａ）は、基準として機能するように、所定の場所にイヤホンがない耳道マイクロホンの応答を示している。第２のプロット（Ｂ）は、所定の場所にイヤホンがあるが、雑音相殺を作動させない状態の応答を示し、第３のプロット（Ｃ）は、雑音相殺を作動させた応答を示している。
【００５４】
基準応答（Ａ）の形状は、約２．６ｋＨｚに大きなピークを有し、外耳および耳道の共鳴特性によって引き起こされている。所定の場所にイヤホンがある（プロットＢ）の場合には、２ｋＨｚを上回る入射周辺周波数は、図１ｂに示されているように、外耳に対してイヤホンを部分的に密閉するフォームクッションによる受動的な減衰を受ける。しかし、４００Ｈｚ〜１．５ｋＨｚの範囲において、イヤホンの装着する行為は実際には、各イヤホンとそれぞれの外耳との間に現在存在する空隙のために、１ｋＨｚで＋６ｄＢ程度、鼓膜で周辺雑音レベルが増大する。プロットＣは、雑音相殺回路の作動効果を示している。応答は、３００Ｈｚと上限の１．５ｋＨｚとの間の範囲で幾分低減されているが、せいぜい−６ｄＢに過ぎないことが分かる。１ｋＨｚでの低減は、わずか−３ｄＢである。
【００５５】
図９は、耳載せ型装置ではなく、便宜上、イヤパッド装置として構成され、したがって、周囲から耳までの音響漏れがより大きい分散型５−マイクロホンアレイを組み込んだイヤホンに関する応答の類似の直接的比較セットを示している。イヤホンが所定の場所に置かれるとき（プロットＢ）、既に述べたように共鳴のために、４ｋＨｚを超える応答は、受動的な減衰によって低減され、ピーク応答は、約３ｄＢだけわずかに増大される。しかし、雑音相殺が作動されると（プロットＣ）、応答は、３００Ｈｚ〜３．５ｋＨｚの範囲内で著しく低減されることになり、３００Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲において、約−１０ｄＢ低減される。１ｋＨｚにおける低減は、約−１２ｄＢであり、上限はここでは３．５ｋＨｚである。以下の表１は、高品質の市販のイヤホンと比べた分散型５−マイクロホンアレイによって得られた雑音相殺における改善をまとめている。
【表１】
2009535655.tif 000003
【００５６】
実際問題として、本発明による装置において、コストおよび複雑さに関して、（相殺信号と雑音信号との間の）信号整合の精度とマイクロホンの選択数との間に妥協がある。また、必要な信号に関してマイクロホンから必要とされる「導入時間」およびイヤホンアセンブリの物理的な直径に求められる釣り合いもある。というのは、分散型マイクロホンアレイの直径がこの導入時間を決定するためである。以下の説明は、これらに関して、本発明の実際的な実装のための指針である。
【００５７】
正確な時間合わせを達成するために、周辺のマイクロホンと耳道マイクロホンとの間の到達時間差は、電気音響変換器（すなわち、イヤホンのラウドスピーカ）から耳道マイクロホンまでのシステム応答時間に等しい（または実質的に類似である）必要がある。
【００５８】
それぞれの音響経路が耳殻の中および耳道を通って鼓膜までの共通の経路要素（図５のＹ’によって示される）を共有することを念頭に置くと、第１の近似は、分散型環状アレイに関して適切な半径を選択することによって、残りの経路要素（図５におけるＺ’）に関連する時間遅延を変換器応答時間に等しくすることである。
【００５９】
第１のステップは、イヤホン駆動モジュールに関して選択された電気音響変換器の応答時間を測定することである。変換器応答時間が、たとえば、７０μｓ（代表値）である場合には、これは、約２４ｍｍの音響経路長に対応し、したがって、これは、分散型マイクロホンアレイの音響中心が直径約４８ｍｍの円の周囲またはそのような円を略中心にして置かれるべきであることを要求する。
【００６０】
しかし、音響経路が、そのように直接的で簡単でないため、最適の精度を得るためには、結果的に到達時間差を測定し、半径を調整することが最適である。実際には、この目的に適した大半の変換器は、７０μｓ〜１００μｓの範囲の応答時間を有し、したがって、４０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の分散型マイクロホンアレイの直径が、これらの値に最もよく適している。
【００６１】
次に、アレイにおいて用いられることになっているマイクロホンの数が、選択されなければならない。理想的には、当然のことながら、きわめて小さい数が用いられる場合には、ある程度の量子化の影響を受ける危険性がある恐れがあるため、大きな数の方が、小さな数よりよい。４０μｓよりよい時間合わせ（対応する伝搬距離は約１４ｍｍ）が望ましいという合理的な基準を要求したい場合には、半径Ｒの円形マイクロホンアレイを通過する波の幾何構成を調べ、以下のように、角度分離θに基づき、個別のマイクロホン間を通過する横波に関して有効距離Ｄの簡単な近似関係を導出することが可能である。
Ｄ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）
したがって、
【数１】
2009535655.tif 000004
である。
【００６２】
これは、マイクロホンとマイクロホンとの間の時間間隔が４０μｓ未満（Ｄ＝１４ｍｍ）であり、Ｒ＝３０ｍｍである場合、θ＝〜６０°であり、したがって、６個のマイクロホンが用いられるべきであることを示している。しかし、これは、大まかな指針でしかない。
【００６３】
聴取者の耳に適用されるときにイヤホンがわずかに異なる位置にある場合に、この種のすべてのシステムにおいて、音響漏れ特性および種々の音響経路長の両方において相当の変動性があることは避けられない。これは、行われる任意の小さな設計の妥協の影響と共に、システムの性能を制限する傾向があり、したがって、雑音抑制特性が依然として、「有限の」有限交差点を特徴とする。しかし、従来技術デバイスにおいて測定された１ｋＨｚ以下のクロスオーバ(crossover)周波数とは対照的に、これは通常、３ｋＨｚより上でよく観察される。
【００６４】
個別のマイクロホンの正確な向きは、重要であるが、決定的ではない。漏れ経路の入口でＳＰＬを最もよく表すために、マイクロホンのはめ込み（例えば２６）は、聴取者の頭部の隣接する縁部２０の付近に位置決めされるべきである。これは、たとえば、イヤホンの後縁（図６）における後方回折波が正確に記録されることを保障する。たとえば、２６などのマイクロホンはめ込みポートが、聴取者の頭部から離れるように向けられた場合には、これは、イヤホンの周囲および下で後方に回折する前に通り過ぎる波面を記録することになり、周辺雑音は後方回折を受けることから、鼓膜に達する周辺雑音より高い周波数ではるかに大きいエネルギを含むことになる。
【００６５】
マイクロホンアレイの画定に関して、最も適切な変換器は、当業者には馴染みのある小型エレクトレットマイクロホンである。本発明者は、直径６ｍｍ×長さ５ｍｍ〜直径３ｍｍ×長さ１．５ｍｍの範囲にある種々のメーカーによる超小型エレクトレットマイクロホンを用いた。マイクロホンは、比較的変化の少ない周波数応答（２００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの間で±３ｄＢ）を有するべきであり、マイクロホン間の感度の変動は、１ｋＨｚで±３ｄＢ未満であるべきである。（これらの仕様は、本発明者によって用いられた直径３ｍｍ×長さ１．５ｍｍの代表的なものである）。
【００６６】
マイクロホンアレイを電子的に構成することに関して、各マイクロホンは、一体型ＦＥＴ緩衝増幅器を含むことから、わずか数ｋΩの出力インピーダンスである。図１０ａは、代表的なマイクロホンカプセルの簡単な等価回路を示しており、エレクトレットフィルムは、約１００ｐＦの小さな静電容量Ｃ１と、グランドとｎチャネルＪＦＥＴ（接合型電界効果トランジスタ）Ｊ１との間で結合される通常１００ＭΩの高い並列漏れ抵抗Ｒ２と、によって表される。使用時にはＪＦＥＴドレイン接続は、負荷抵抗器Ｒ１を介して低電圧源Ｖ１、通常＋３Ｖに接続される。代表的なＪＦＥＴマイクロホンカプセルの伝達特性が、図１０ｂにそのＩＤ／ＶＤＳ特性の形態で示されている。ドレイン−ソース電圧が約＋１Ｖより大きい場合には飽和領域があり、約２５０μＡの関連飽和電流を有することが分かる。この領域において、ＪＦＥＴのコンダクタンスは、主にＶＤＳに独立であり、主にゲート−ソース電圧差、すなわち、エレクトレットにわたる電圧の音声に左右される変化（簡単にするため、ここでは含まれていない）によって決定される。図１０ａは、６ｋΩの代表的な負荷抵抗器Ｒ１を示しており、＋３Ｖのバイアス電圧に関連して、２５０μＡのデバイス電流、１．５ＶのＶＤＳ値および出力ノードにおける＋１．５ＶのＤＣ出力電圧レベルを結果として生じる。
【００６７】
しかし、マイクロホン信号は、比較的小さく（振幅において数ｍＶ）、したがって、増幅を依然として必要とする。各マイクロホンに関して個別の前の増幅段階を用いるのではなく、マイクロホンのすべてに同時に機能するように、１回の増幅段階の手筈を整え、次に、電圧加算段階に続くことが好都合である。これを達成する１つの方法は、マイクロホンのすべてを並列に接続することである。しかし、この特定のタイプの構成において、１つのマイクロホンにおける電流の変化は、共通のノード電圧を変化させ、今度は、他のマイクロホンの一体型ＦＥＴにおける電流を変化させるという点で、マイクロホンのすべてがそれらの飽和領域において動作され、そうでなければ相互変調が生じることが不可欠である。たとえば、図１０ａにおいて、４つのさらなるマイクロホンカプセルが、元の６ｋΩの負荷抵抗器Ｒ１を用いて、元のマイクロホンカプセルと並列に簡単に接続される場合には、出力電圧ＶＤＳは、わずか２００ｍＶまで低減されることになり、各マイクロホンＪＦＥＴにおいてわずか９０μＡが流れる。これは、飽和を十分に下回り、ＶＤＳにおける任意の変化がデバイス電流における著しい変化を生じ、したがって、音声信号を変調する。
【００６８】
この相互変調現象を回避するために、選択されたマイクロホンタイプのＩＤ／ＶＤＳ特性を図１０ｂに示されているように測定するべきであり、次に、マイクロホンおよびその一体型ＦＥＴの飽和領域および電流を決定することができる。これは、１つの適切なバイアス抵抗器により、マイクロホンアレイ全体に関して選択することを可能にし、相互変調の影響を受けることなく安全に動作することができる。たとえば、上記の特性に基づいて、並列に５−マイクロホンアレイを形成することが必要であれば、この場合には、負荷抵抗器Ｒ１が１．２ｋΩまで実質的に低減されなければならない。既に述べたように、これは、５つのデバイス（すべて１．２５ｍＡ）のそれぞれを流れる２５０μＡの十分な飽和電流を結果として生じ、１．５ＶのＶＤＳ値となる。
【００６９】
図１１は、この場合には２８のゲインファクタ(factor)を特徴とする適切なバッファ増幅器Ｘ１Ａに連結される５個のマイクロホンを並列に接続するための好ましい回路装置を示している。この段階の出力は、振幅を調整するために、ゲイン調整可能な段階を経てラウドスピーカ駆動段階に供給されることによって、図１に示された一般的な類のフィードフォーワードシステムを駆動するために用いられることができ、必要に応じて、以下の回路およびスピーカ接続における任意の極性変化を左右する反転器を駆動するために用いられることができる。
【００７０】
本発明の簡単で基本的な実施形態については、図４を参照して既に記載されており、マイクロホンの円形アレイがイヤホンの縁部の周囲に配置されている。図１２は、ヘッドバンドに取り付けられたこの構成を示しており、参照符号は、図４の参照符号に対応する。この実施形態の変形は、関連電子部品、すなわち、電源装置、前置増幅器、反転器および音声駆動器をイヤホンケーシングの構造と一体である一体型プリント回路基板（ＰＣＢ）に組み込むことである。これは、デバイス全体に嵩および重量の追加という小さな犠牲によって、外部配線を削減するのに好都合である。これはまた、製作にも好都合であり、たとえば、円形ＰＣＢの縁部の周囲に直接的にマイクロホンを取り付けることを可能にし、ラウドスピーカがばね接点を介して電気的に接続され、したがって、「スナップ相互（ｓｎａｐ−ｔｏｇｅｔｈｅｒ）」構成を可能にする。音響部分は、縁部の周囲の１つ以上の適切な独立気泡フォームポリウレタンガスケットによって、マイクロホンとラウドスピーカの後方体積との間で維持されることができる。
【００７１】
本発明の別の実際の実施形態は、ワイヤレスイヤホン（ブルートゥース）装置３０において展開される図１３に示されている。この実施例において、３つのマイクロホンは、それぞれの入口ポート３１、３２および３３を有し、中心に位置するラウドスピーカ（筐体の外面３４によって隠されているため、図示せず）の周囲に分散される。イヤホン３０はまた、従来の様式において、イヤクリップ３５およびリップマイクロホンブーム３６を備えるように形成される。
【００７２】
図１４は、本発明の別の実際の実施形態を示しており、分散型マイクロホンアレイが、この場合も３−マイクロホンアレイの形態でセルラー電話ハンドセットユニット４０の中で設計されており、アレイの３つのマイクロホン用の個別の入口ポートはそれぞれ、４１、４２および４３で示されている。従来のマイクロスピーカ出力ポートは、４４で示されている。
【００７３】
図１を参照して記載したような従来のフィードフォーワード概念からの本発明の脱却について一般的に関連して、関連電子フィルタリングの使用または規則的な雑音を「無視する」ための適応型フィルタの使用のいずれかによって、改良しようとする多くの試みがあったにもかかわらず、今日まで実装されてきたようなフィードフォーワード手法の非効率性の理由が十分に説明されていないことに気付かれる。
【００７４】
フィードフォーワード装置に関するこれまでの提案は、入射周辺雑音信号およびイヤホンラウドスピーカによって駆動された信号の両方が、たとえば、イヤホンシェル空隙における音響共鳴などの種々の変換を受けるという原理に基づいているように見える。これらの変換は、信号の振幅応答を修正するため、全体的な相殺を生じないようにするために考案された。しかし、２つの信号の位相に帰する類似の有意性はなく、これらの種々の伝達関数が数学的に結合された場合には、これらの効果のすべてを考慮して予想するために、理想的な電子フィルタを作製することが可能であることが提案された。
【００７５】
本発明によれば、周辺雑音信号に対する相殺信号の相対的な位相が、２つの信号の相対的な振幅に関する少なくとも等しい重要性に帰することは十分に認識される。
【００７６】
周辺雑音相殺に関する種々の従来技術の開示は、振幅応答を修正するための電子フィルタの使用について言及しているが、タイミングまたは位相応答の扱いについて明確な説明はない。たとえば、米国特許第ＵＳ６，０６９，９５９号明細書は、フィードフォーワード雑音相殺システムと共に用いるための複素フィルタ装置について記載し、振幅応答を示す様々なグラフを開示しているが、タイミングまたは位相応答について考慮していないし、言及もしていない。
【００７７】
種々の伝達関数の測定およびそれらを結合して、不可欠なフィルタ関数を形成することに関して、上記の方法を実装する際には、いくつかの大きな実際的な問題点もある。
【００７８】
本発明の発明者は、上記の伝達関数の指向性が重要であると考え、このファクタが以前には観察されていなかったと信じている。
【００７９】
本発明の発明者はさらに、日常用途において顕著であるように、拡散音場と共に用いるために、１回の角度測定から得られた伝達関数を用いることは妥当性がないと考えている。
【００８０】
周辺雑音相殺システムを改善するための従来技術の試みの貧弱な結果を踏まえて、多くの試みが適応フィルタの使用などのきわめて洗練された方法に向けられた。最新技術をまとめ、W S Gan, S MitraおよびS M Kuoによる「Adaptive feedback active noise control headset: implementation, evaluation and its extensions」という題名の論文が、IEEE Transactions on Consumer Electronics,51,(3),2005年8月に発表されている。この手法は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いて主に反復雑音に関して入射雑音の種々の成分を解析して識別し、次に、実時間において電子フィルタを修正して、最適の相殺信号を提供しようとしている。しかし、相当の数学的かつ技術努力にもかかわらず、この手法が得られた成果は限られていた。たとえば、M Pawelczykによる「Analogue active noise control」(Applied Acoustics出版, 63, (2002), pp. 1193-1213)は、この分野における最新技術の総説を含んでいる。この論文の図１５から、最新技術の適応システムの相殺帯域幅は、約５００Ｈｚ未満の周波数に限定されることが分かる。また、Ｐａｗｅｌｃｚｙｋは、そのようなシステムが、衝撃的で非反復性の雑音を抑制することができないと記載している。
【００８１】
したがって、従来技術の開示は、入射周辺雑音信号に対する相殺信号の位相応答の重要性を省略しているか、または無視していることは明白である。さらに、２つの信号の振幅の不正確な整合の結果的な影響が、定量化されていない。
【００８２】
雑音相殺過程が、振幅および位相における変動に対してどれほど敏感であるかを最適値の上および下で同時に認識するためには、本発明者は、（相殺されない）雑音、すなわち「残余」信号の残る量に関して雑音相殺過程の有効性を画定しようとする解析を、割合（百分率）として、およびｄＢ単位の雑音音圧レベル（ＳＰＬ）の対数の低減に関して行った。
【００８３】
幾分驚く結果は、適度な量の雑音相殺であっても必要なきわめて厳密な許容差を得ることである。６５％の相殺（−９ｄＢ）が実現されることになっている（残余信号＝３５％）場合、相殺信号の振幅は、±３ｄＢ以内で雑音信号の振幅に整合されなければならず、同時に、信号の位相は、±２０°（０．３５ラジアン）の範囲内でなければならない。
【００８４】
図１５は、完璧な整合からの振幅偏差および位相偏差の関数として残余雑音の割合を示す３次元表面を示しており、この関係の重要な性質が、図から明白である。＞５０％相殺領域（−６ｄＢ以上）は、プロットの下限まで中心に低下するきわめて狭い漏斗形状の一番下の灰色の領域によって表されている。この理想的な領域からの任意の逸脱は、システムの有効性を著しく妥協する。
【００８５】
本発明は、イヤホンユーザのための改善した周辺雑音相殺装置であり、現在まで入手可能な市販の製品の１ｋＨｚ以下の限界とは対照的に、３ｋＨｚまでの周波数および３ｋＨｚを超える周波数に対して有効である周辺雑音相殺装置を提供する。本発明のさらなる利点は、使用の快適性および雑音相殺量が電子的に制御可能にし得ることにある。これらの特徴はいずれも、携帯型電子デバイスと共に用いるためにはきわめて望ましい。
【００８６】
周波数の関数として信号の振幅応答のみに重点を置いた種々の従来技術のフィードフォーワード信号処理の開示とは対照的に、本発明は、信号の相対的位相の不可欠な重要性を認識する。
【００８７】
種々の一定の伝達関数に基づく信号処理を組み込んだ種々の従来技術の方法とは対照的に、それぞれの信号が１つの選択された空間的方向から測定され、これらが拡散音場（全方向性）と共に用いるために妥当であると仮定した場合には、本発明による装置は、音源方向に関する伝達関数における変動を適合させ、それによって、全方向性の拡散音場の雑音低減または相殺手段を提供する。
【００８８】
本発明は、相殺信号が聴取者の鼓膜で入射周辺雑音信号と実質的に「時間合わせされる」ために配置されるべきであるという新たな原理に基づき、聴取者の鼓膜における信号の正確な時間合わせを確保するだけでなく、２つの信号の振幅の方向とは独立の整合も確保する装置を提供する。
【００８９】
雑音信号および相殺信号の振幅および相対的な位相の両方に対する残余信号の感度に関して、本発明者によって行われた上述の解析を受けて、電子フィルタリングまたは適応フィードバックまたは適応フィルタリング手段によって、正確な位相関係を得ることも調整することもできず、正確な位相関係を実現するための唯一の手段は、「時間合わせ」システムを設けることであるという結論に達した。これによって、相殺信号は、入射周辺雑音信号に対して実質的に時間合わせされるように設計されることを意味している。
【００９０】
しかし、これは、簡単ではない。なぜなら、周辺雑音信号自体が音響信号であって、電子信号でなく、したがって、信号処理手段を用いて修正するために利用可能ではないからである。
【００９１】
図１６は、周辺雑音信号および相殺信号が大きさにおいて等しいが、それぞれわずか８０μｓおよび４０μｓだけ時間領域においてずれている状況に関して、周波数の関数としてｄＢ単位で残余雑音レベルを示す２つのグラフを含んでいる。８０μｓの周期は、標準的な部屋の状態で、音波が空中で約２７ｍｍ進むのにかかる時間を表す。１ｋＨｚまでのより低い周波数で、適度な量の相殺（−６ｄＢ）があるが、雑音周波数がさらに増大すると、ここでは、２ｋＨｚである「クロスオーバ」点に達するまで相殺量は減少することが分かる。このクロスオーバ周波数は、時間のずれが雑音信号の周期の６分の１（π／３ラジアン）に対応する点を表す。クロスオーバ点を超える周波数で、時間のずれは、相殺信号が雑音信号と異なる位相ではなく、同位相に多く存在し、弱め合う波の相殺が生じる代わりに、強め合う波の干渉を生じ、したがって、元の雑音信号より大きい結果的な信号を構成する。時間のずれの値が波の周期の２分の１に等しい場合に、最大点が生じ、その点で、残余信号は、元の雑音信号より６ｄＢ大きい。
【００９２】
現在、および前述したように、種々の市販の有効な雑音相殺システムは、よくても１ｋＨｚ以上では効果的ではなく、１ｋＨｚを上回る雑音の侵入を低減するためには、イヤパッドによる受動的な減衰に依存している。図１６の第２のプロット（実線）は、２ｋＨｚで−６ｄＢの雑音相殺基準を達成するために、周辺雑音信号および相殺信号の時間合わせが、４０μｓ以上の精度で達成されなければならないことを示しており、これは、空中でわずか１４ｍｍの音波経路長の距離に相当する。２ｋＨｚで−１０ｄＢのさらに大きな雑音相殺基準に関して、時間合わせ精度は、２５μｓよりよい（小さい）必要がある。
【００９３】
上述の解析は正弦波波形に基づいていたが、正確な時間合わせが、雑音信号の全体的な相殺を結果として生じるという意味で、ランダムで反復性のない波形に直接的に適用可能でもあることは明白である。
【００９４】
従来のフィードフォーワードシステムに関して、電気音響変換器の固有のタイムラグを無視した結果としての問題もまた生じる。音声コイル（および振動板）の加速が、（印加電圧に基づいて）コイル中を流れる電流に比例しており、したがって、音圧レベル（単位面積当たりの力）がこれに直接的に比例しているという理由から、多くのシステムでは、イヤホン用途に関して用いられる電気音響変換器の応答時間が本質的に無視できると仮定している。
【００９５】
しかし、実際には、振動板に結合される空気は、その音響イナータンス、音響質量および音響抵抗に関して、振動板に対して複素音響負荷（ｃｏｍｐｌｅｘ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｌｏａｄ）を与える。これは、種々の要因に左右される有限の応答時間を結果として生じる。本発明者の経験では、これは通常、きわめて小さな直径（１６ｍｍ）のマイクロスピーカの場合であっても７０μｓを超え、直径３８ｍｍのイヤホン型ラウドスピーカの場合には通常、約１００μｓである。
【００９６】
小型のラウドスピーカの応答時間は、スピーカをバッフル板に取り付けることによって、スピーカの振動板に対して軸上に、きわめて近い約２ｍｍの距離で取り付けられた基準等級のマイクロホン（Ｂ＆Ｋ型４００３）を用いて、測定されることができる。上述したように、矩形波形によってスピーカを駆動することによって、オシロスコープは、マイクロホン信号および駆動信号を同期して同時に観察して、スピーカの立ち上がり時間および応答時間を測定するために用いられることができる。２ｍｍの離隔距離にわたる伝搬遅延は、約６μｓであり、これを測定値から差し引いて、固有のラウドスピーカ応答時間を生じることができる。本発明者によって用いられた１つの３４ｍｍラウドスピーカの場合には、測定された応答時間は、約７６μｓであり、したがって、固有の応答時間は、約７０μｓであり、２４ｍｍの音波経路長の距離に対応する。
【００９７】
これは、正確な時間合わせが達成されることになっている場合には変換器ラグを補償するために、マイクロホンが信号を実際に検出する数十μｓ前に、相殺信号がイヤホンラウドスピーカに送信されなければならないことから、図１および図２のフィードフォーワードシステムに関する他の主要な概念的な問題を生じる。
【００９８】
一般に、システム応答時間は、（ａ）固有のラウドスピーカ応答（上述した）および（ｂ）ラウドスピーカ振動板から耳殻外縁部まで、次に耳殻空隙の深さを経て最後に耳道を経て鼓膜位置におけるマイクロホン（図２の経路Ｙ）までの伝播時間の和である。代表的なシステム応答時間は、２４７μｓである。
【００９９】
雑音信号に対する相殺信号の振幅整合に関して、周辺雑音信号は、鼓膜に達する時間までに、イヤホンパッドと外耳との間、外耳空隙と鼓膜で終わる耳道との間の種々の漏れ経路によって表される複雑な音響経路を進んだ。管路および空隙からなるこのネットワークは、実質的に音響フィルタを形成し、鼓膜に達する前に、雑音信号のスペクトル特性を修正する。周波数応答および位相の両方の特性が、従来技術において記載されたように変更される。しかし、本発明者は、イヤホン／外耳音響構造が、鼓膜までの周辺雑音信号経路および鼓膜までのイヤホンラウドスピーカの両方に対して共通であるために、両方の信号に生じるスペクトル修正が驚くべきことに類似であることを発見した。事実、本発明者は、マイクロホンが相当変化の少ない周波数応答を示し、イヤホンラウドスピーカもまた、比較的変化の少ない周波数応答を示すのであれば、振幅の整形はほとんどまたは全く必要ではないことを発見した。
【０１００】
この観察は、種々の周波数領域の伝達関数に基づく信号処理が支持されるいくつかの従来技術の開示とは対照的である。代わりに、本発明者は、時間領域の方法論を用いる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】既に参照されており、フィードフォーワード雑音低減装置の要素を基本的な形態において示す。
【図２ａ】図１に示された類の従来技術のフィードフォーワードシステムを、それと関連付けられる音響経路の表示と共に、概略的に示す。
【図２ｂ】図１に示された類の従来技術のフィードフォーワードシステムを、それと関連付けられる音響経路の表示と共に、概略的に示す。
【図３ａ】図２に示される音響経路の長さにおける差から生じるタイミングの変形を表す曲線を示す。
【図３ｂ】図２に示される音響経路の長さにおける差から生じるタイミングの変形を表す曲線を示す。
【図４ａ】本発明の一実施形態による雑音低減装置を示す。
【図４ｂ】本発明の一実施形態による雑音低減装置を示す。
【図４ｃ】本発明の一実施形態による雑音低減装置を示す。
【図５ａ】図４に示される本発明の実施形態の動作の説明のための音響経路を示す。
【図５ｂ】図４に示される本発明の実施形態の動作の説明のための音響経路を示す。
【図６ａ】イヤホン装置の周囲の音響漏洩経路を概略的に示す。
【図６ｂ】イヤホン装置の周囲の音響漏洩経路を概略的に示す。
【図６ｃ】イヤホン装置の周囲の音響漏洩経路を概略的に示す。
【図７ａ】図５に示される音響経路の長さにおける差から生じるタイミングの変形を表す曲線を示す。
【図７ｂ】図５に示される音響経路の長さにおける差から生じるタイミングの変形を表す曲線を示す。
【図８】市販の雑音低減イヤホン装置の性能を表す曲線を示す。
【図９】図８の曲線と比較し、図４に示される本発明の実施形態の性能を表す曲線を示す。
【図１０ａ】エレクトレットマイクロホン用の等価回路およびそれに関する動作特性曲線を示す。
【図１０ｂ】エレクトレットマイクロホン用の等価回路およびそれに関する動作特性曲線を示す。
【図１１】集積エレクトレットマイクロホンアレイおよび緩衝増幅器回路を示す。
【図１２】本発明の一実施形態による装置のイヤホンを示す。
【図１３】ワイヤレスイヤホンと共に用いるように構成された本発明の一実施例による装置を示す。
【図１４】セルラー電話と共に用いるように構成された本発明の一実施例による装置を示す。
【図１５】振幅および位相における変動に対する雑音低減有効性の感度を表す３次元プロットである。
【図１６】異なる時間遅延誤差に関して利用可能な最大雑音低減を表す曲線を示す。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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