(57)【要約】【課題】地下鉄列車の８０〜９０デシベルの騒音環境でも使える、｛高性能、高安定、簡単、安価｝な、インナーイヤホンのノイズリダクション。【解決手段】耳とインナーイヤホンの間の空間を多孔質の柔らかいプラスティックからなる遮音性のエレメントで満たすことで、インナーイヤホンを通過する高レベルの環境雑音を遮断する。遮音エレメントによって強力に減衰する再生音を、あらかじめ信号処理により補正することで音質の品質を確保する。【選択図】図２
2009219095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インナーイヤホンを耳に装着している状態において、｛インナーイヤホンと外耳道の入り口付近の一部｝の空間を｛変形自在な遮音性の多孔質プラスティック材（以下、遮音材と称す）｝で満たすことによって、環境騒音とインナーイヤホンの再生音の双方の音を減衰すべく、上記空間を塞ぐ機能を有することを特徴とした遮音材からなる遮音エレメント。
【請求項２】
遮音エレメントの内側の空間にあって、｛遮音エレメントが耳に装着された状態でイヤホンの音の出口において遮音材が必要以上に変形することなく安定して音の出口の空間を確保すべく｛柔らかい遮音材の骨材として｝｝かつ、または、｛柔らかい遮音エレメントをイヤホンの音の出口に装着する際、安定した装着状態を確保すべく、｛イヤホン側の音の出口よりは柔らかく、遮音材よりは堅い材質の遮音エレメント遮音性能安定化チューブ｝｝有したことを特徴とする請求項１に定義する遮音エレメント。
【請求項３】
｛請求項１または請求項２｝の遮音エレメントを備えたイヤホン。
【請求項４】
｛｛請求項１または請求項２｝の遮音エレメントを装着したインナーイヤホン、または、｛請求項３のインナーイヤホン｝｝を用いて音響信号を再生する装置において、｛遮音エレメントの減衰効果によってインナーイヤホンの再生音が聴覚に至る過程で発生する減衰特性｝を、あらかじめ、｛電子回路もしくはディジタル信号処理｝によって補正する機能を有する、音響信号再生装置。
【発明の詳細な説明】
【用語の定義】
【００１】請求項を含む全文を通じ、文中の｛｝内の記述は｛｝外の記述に優先する。
【技術分野】
【００２】環境騒音キャンセラ、環境騒音リダクション、イヤホン製造技術、耳栓の材料、の加工技術、電子回路フィルタ、ディジタルシグナルプロセッサの信号処理アルゴリズム。
【背景技術】
【００３】環境ノイズを軽減して音楽やスピーチを聴きやすくする機能のイヤホンや受話器が販売されている。大きく分けてアクティブ方式とパシブ方式とがある。【００４】アクティブ方式の背景技術としては、
｛イヤホンの直近にマイクロホンを組み込む必要から｝高度な｛設計と製造｝技術が必要。
より高い周波数領域でもキャンセレーション性能を上げようとするときの、動作の不安定性からの回避技術。
イヤホンコードと衣服などの間で発生する｛摩擦音や静電気の放電｝により発生する不快なノイズのリダクション方法。
地下鉄の電車内のように、８５ｄＢを超えるような騒音環境では｛音響伝搬系、マイクロホン、イヤホンやヘッドホン｝などが持つ非線形特性に起因する、キャンセレーション性能の著しい劣化現象からの回避。
さらなる高性能化には、携帯型にとって重要なファクターである消費電流の軽減。【００５】アクティブノイズキャンセラについては数多くの特許出願がなされている。
下記は代表的な例である。
特開２００１−５４６３    音響装置
特開Ｈ７−２６４６９９    補聴器
特開Ｈ９−３６７６３      ノイズキャンセラ
特開２００６−１３９３０７音声効果処理と騒音制御を有する装置
特開Ｈ５−３０５８５      騒音低減ヘッドホン装置
特開Ｈ５−１３０６９１    イヤホン装置
特開Ｈ８−４７０７４      スープラオーラルヘッドホン
特開Ｈ８−７９８７３      通信端末
特開Ｈ８−２７５２８１    ノイズキャンセル型ヘッドホン
特開Ｈ１１−３０８６８５  能動型ノイズ低減ヘッドセット
特開２０００−５９８７６  音響装置およびヘッドホン
特開Ｈ６−６８８６        騒音低減ヘッドホン
特開Ｈ６−７０３９１      ヘッドホン装置
特開Ｈ７−２４０９８９    騒音低減ヘッドホン装置【００６】パシブ方式の背景技術としては、
環境ノイズ源から聴覚へ至る音の伝搬経路を遮断するために、
イヤホンの再生性能を維持しつつ、イヤホン自体の外部騒音の遮断性能を向上させる手法。
耳とイヤホンの間の隙間の遮音性能を向上させるための遮音エレメントの材質や形状の改良。
以上の２点が重要である。
特開Ｈ０８−２７５２９８耳栓イヤホンへの取り付け具及びイヤホン
特開Ｈ１０−５１１８３２イヤクッション付きヘッドセット及びクッションの圧縮を制限する装置
等が提案されていて、確かに改善はあるものの、環境ノイズがイヤホンの構造物を伝搬して聴覚に達することもあって、ノイズリダクション性能に関して、高い満足度は得られていない。【００７】特開２００２−２００１０９耳栓型電気音響変換装置
では｛イヤホンの振動板の振動｝を｛耳栓である遮音エレメント｝に直接伝えることでノイズリダクションを機能させる提案があるが、もともと遮音材は、｛伝搬特性の全く異なる材料から直接機械的振動で音を伝搬させる｝には不向きの材質であり、良質の音響性能を得ることは難しい。
【発明が解決しようとしている課題】
【００８】実用的で、安価で、製造が簡単で、使いやすく、かつ、高いリダクション性能と再生音質の良いノイズリダクション。
【００９】一般的に、イヤホンの再生性能を上げるには、｛振動板の背面｝は外に向かって開口していると都合が良い。ところが、従来方式の｛環境ノイズを遮断｝するタイプのイヤホンは、｛アクティブ型あるいはパッシブ型｝の如何にかかわらず、｛環境ノイズを遮断する目的｝から、｛イヤホンの振動板の背面が密閉構造｝であることが望ましい。イヤホンの背面を、密閉することは簡単であるが、密閉することによって再生性能は著しく劣化する。特に低音再生性能の｛密閉による著しい劣化｝から回避するために、振動板の背面からダクトを設け、反対側の耳側に開口させるなど、細やかな細工を施した商品もある。要するに、｛イヤホン自体の遮音性能の向上｝と｛イヤホンの再生性能の向上｝とは総じて、相容れない関係にある。
【０１０】アクティブノイズキャンセラ型のイヤホンにはマイクロホンを組み込む必要がる。小さくて、複雑で、精密なイヤホンの中にマイクロホンを仕込むことは簡単ではなく、都合の悪いことに、｛イヤホンとマイクロホンがより近接している｝ほど精度の高い検出性能が得られる。しかし、一方ではイヤホンとの結合度が強まることから、検出する環境雑音の大きさが相対的に小さくなり制御が難しくなる。この点についても、相矛盾した課題の妥協点を探らなければならない。
さらに、マイクロホンを設けることはコードの衣服との｛摩擦音や発生した静電気の放電｝によって不快なノイズを拾いやすい。
【０１１】アクティブノイズキャンセラ型のイヤホンは｛環境騒音を検出するマイクロホン｝から増幅器、信号処理、再生系を経て、再びマイクロホンに至るところの｛信号の流れの閉ループ｝があって、｛遮音性能の向上｝が｛不安定性の増加｝となって、この点に関しても相矛盾する問題との妥協点を探らなければならない。
【０１２】また、信号処理がディジタル信号処理である場合（高性能タイプはこのケースである）｛ＡＤ変換とＤＡ変換に要する時間遅延｝が性能の限界を決定することから、｛コスト高の高速低雑音のＡＤ、ＤＡ変換方式｝を使う必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０１３】｛インナーイヤホンと聴覚の間にできる空間（音が伝わる外耳道の一部）｝を、音を減衰させる遮音エレメントで埋めることで、｛リダクションしたい環境騒音｝と｛聴こうとする音楽やアナウンス信号｝の両方を減衰させる。この手法は｛再生音をも高性能な遮音効果を持つ材質で遮音する｝ことから、再生音の音量は減衰し、特に高音ほど減衰量は大きい。この減衰については、電気信号の段階で｛インナーイヤホンから聴覚に至る遮音エレメントの減衰特性の逆伝達特性｝を作用させて再生信号を補正し、インナーイヤホンをドライブする。イヤホンと耳の隙間から侵入してくる環境ノイズもイヤホン自体を伝わってくる環境ノイズも同様に遮断することから、環境ノイズの遮音性は大幅に向上し、｛イヤホン自体の遮音効果｝への配慮は大幅に軽減され、｛イヤホン自体、あるいは、遮音エレメント｝の設計自由度が飛躍的に高くなる。
【０１４】結果、環境ノイズの遮音性能は向上し、｛再生音の減衰｝は補正されて正常な音質となり、Ｓ／Ｎ比は向上する。
【０１５】［図１］は本発明の一実施例を示す図である。
１はイヤホン本体、２は環境ノイズ、３は摩擦ノイズ、４はイヤホンの再生信号、５は｛環境ノイズと摩擦ノイズ｝がイヤホン本体を経由して聴覚に至る雑音、６は｛後述の柔らかい遮音エレメントをイヤホン本体に装着しやすくし、遮音材の遮音性能の安定化（使用状態で）を図る｝ための中空の遮音性能安定化チューブ、７は｛イヤホン本体と外耳道の間にできる空間の一部を塞ぐ｝ための｛変形自在な遮音性の多孔質プラスティック材｝からなる遮音エレメント、８は遮音エレメントの内側にできる空間である。６の遮音性能安定化チューブの材質はイヤホンの音の出口の材質よりも柔らかく、遮音材よりも堅い材料であり、簡単に安定してイヤホンに装着できることが望ましい。
｛遮音エレメントの材質や形状｝と｛遮音性能安定化チューブの材質や形状｝についての詳細は本案発明の本質とするところではないので説明を省略する。
【０１６】［図２］は図１の一実施例を耳に装着した状態を示す図である。
１から８までは図１と同じである。９は外耳道の輪郭、１０は外耳道、１１は遮音エレメントを経て聴覚に至るイヤホンの再生信号、１２は遮音エレメントを経て聴覚に至るノイズである。
【０１７】｛イヤホンの再生音４｝と｛イヤホンを介して進入する環境ノイズおよび摩擦ノイズ５｝は遮音エレメンント７の遮音効果によって減衰しながらも外耳道を経て聴覚に至る。図から明らかなように、外耳道の一部が遮音エレメントによって塞がれていることから、聴覚に至る環境ノイズや摩擦音は、｛遮音エレメントの遮音効果｝によって、大きく減衰する。当然ながら、イヤホンの再生音も同様に減衰するが、｛イヤホンの再生音｝は｛電子回路の信号処理｝によって、あらかじめ、｛遮音エレメントによる減衰効果の逆特性｝を作用させることで、｛遮音エレメントによる減衰｝を補正することができる。結果として、元々の再生音は｛遮音エレメントを設けない状態とほぼ同じ｛音量と音質｝｝で再生することができることから、｛環境騒音やコードの摩擦音｝は｛遮音エレメントの遮音効果の分｝だけ軽減される。６の遮音性能安定化チューブは｛イヤホンの音の出口の形状｝の安定化を図る、即ち、｛８の空間を安定して確保する｝ことによって、｛遮音エレメントが耳に装着された状態｝での｛安定した遮音性能確保｝の役割を持つ。多くの実験では、イヤホンが耳に挿入された状態で｛遮音エレメントが外耳道を塞ぐ部分の容積｝と｛遮音エレメントの内側の空間８の形状｝は遮音特性に大きく影響を与えることから、遮音性能安定化チューブの役割は大きい。
【０１８】［図３］は本発明の一実施例を示す図である。
図１と同じ番号は同じ機能である。図３の図１との違いは、図１は、遮音エレメント７は貫通していないが図３の遮音エレメントは貫通している点である。
【０１９】［図４］は図３の一実施例を耳に挿入した状態を示す図である。
１から１２までは図２と同じである。図４の、図２と異なる点は図３の貫通している遮音エレメントの穴は、イヤホンを耳に挿入した状態では、｛遮音エレメントの貫通穴｝は｛柔らかい遮音材｝が外耳道の壁に圧迫されて、塞がった状態となり、機能的には図２と同じになる。
【０２０】［図５］は従来型のノイズキャンセル型イヤホンの一例を示す図である。
図１と同じ番号は同じ機能である。遮音エレメントは貫通していて、イヤホンの再生音はそのまま聴覚に達するようになっている。
【０２１】［図６］は図５の従来型の例を耳に挿入した状態を示す図である。
イヤホンの再生信号は遮音されず、そのまま外耳道を通って聴覚に到達する。当然のことながら、イヤホン自体を介して伝わる｛環境騒音やコードの摩擦雑音｝も遮蔽されずに聴覚に到達することから、イヤホン自体の｛環境騒音や摩擦雑音｝の遮断性能は高くなければならない。
【０２２】［図７］は｛図２の実施例において、｛一サンプルの遮音エレメント｝を使用して、｛耳に装着した状態の再生音｝｝と、同じイヤホンを使って、｛図６の従来例において、｛一サンプルの遮音エレメント｝を使用して、｛耳に装着した状態の再生音｝｝の双方を比較し、双方が等音量となるよう、｛図２の実施例の入力レベル｝を調節することで、｛図２の耳に挿入した状態での遮音エレメントの遮音特性｝を等価的に測定したものである。測定に使った信号は正弦波である。
【０２３】グラフの横軸はピアノの鍵盤に相当し、｛横軸の最も左側は４３．８ＨｚのＥ｝、｛最も右側は１６５７２ＨｚのＥ｝、である。横軸の一目盛りは半音階である。縦軸は｛遮音エレメントの減衰量｝である。グラフ１は｛半音階ごとの等音量｝を求め減衰量に換算しプロットしたものであり、｛４３．８ＨＺのＥの等音量レベル｝を基準とし、０ｄＢとしてある。このデータはーサンプルであって、人の聴覚での比較測定であることから、主観的な誤差が含まれている。また、サンプルによって特性の相違はあるものの、総じて右下がりの減衰特性を持っている。｛図７の直線２｝は、グラフ１の測定結果をおおざっぱに直線近似した特性である。｛電子回路による簡単な構成のフィルタ｝を用いて｛図７の１または２の減衰特性｝を近似的に補正できることについては、本案発明の本質とするところではないので説明を省略する。
【０２４】｛図７に示す減衰特性｝の逆特性で再生信号をあらかじめ補正することで、｛図２の遮音エレメントを通過した再生信号｝は｛図６の再生信号とほぼ同じ再生音｝となって聴覚に達する。そして、｛環境騒音や摩擦雑音｝は図７の減衰特性によってリダクションされていることになる。
ただし、この減衰特性の逆減衰特性は高音域で３０ｄＢものゲインを必要とするので、｛その分、ダイナミックレンジの減少｝については本案発明のマイナス要素ではある。
しかし、実用的に問題がないことを、以下に、実測データを使って説明する。
【０２５】［図８］は女性ボーカルが入った楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図９］は男性ボーカルが入った楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１０］は映画音楽の楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１１］はジャズ楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１２］はオーケストラによる楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１３］は合唱団による楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１４］は強いベースの楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１５］は心地良い楽曲例のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１６］は男性女性交互のニュースのスペクトルのピークホールド分布である。
［図１７］は男性レクチュアーのスペクトルのピークホールド分布である。
［図１８］はジェットエンジン音のスペクトルのピークホールド分布である。
［図１９］は雷音のスペクトルのピークホールド分布である。
【０２６】図８から図１９のいずれの信号も１０ｋＨｚ付近のスペクトル密度は中低音域からほぼ３０ｄＢから４０ｄＢほど下がっている。従って、高音域で最大３０ｄＢ程度の補正をしてもダイナミックレンジについては総じて問題のないことがわかる。
一方、市販されている商品は、｛かなりの環境騒音の中でも聞き取りができる程度にダイナミックレンジが確保されている｝ことから、｛本案発明の弱点であるダイナミックレンジの減少｝を補うべく、｛信号処理部や増幅器｝のダイナミックレンジを｛本案発明の商品｝のために｛より大きく取る必要性｝はない。
【０２７】以上の説明のとおり、
｛イヤホンに装着された遮音エレメント｝が｛外耳道の一部を塞ぐ構造｝とすることによって、｛背面が開口しているタイプのイヤホンでも｝高性能のノイズリダクションを具現化できる。
環境騒音を簡単に軽減できるばかりでなく、｛従来型の製造技術や設備｝で、安価で、安定性があって、｛歪みや電子回路ノイズの少ない｝良質の音質が得られる。
｛イヤホン自体｝と｛遮音エレメント｝が低コストであることから、破損や紛失などの場合にでも、あるいは遮音エレメントの差し替えなども手軽に行える。
｛性能向上のための｛遅延時間が極めて小さいＡＤやＤＡ変換｝のデバイス｝を必要としない。
｛複雑なフィルタを含む閉ループの安定性｝や｛系に存在する非線形特性によって制御性能の著しく劣化する問題｝がなど関わるところで｛相矛盾する問題の妥協点を探らなければならない｝というような｛難しい信号処理技術｝も必要としない。
【発明の効果】
【０２８】｛簡単、高性能、安価｝な｛環境騒音リダクションの機能を持った再生環境｝を提供できることから、幅広い商品に応用できる。
騒音環境の中でも｛鼓膜には小音量｝でしかも｛良好な音質｝で音楽を聴くことができることから、懸念されている聴覚障害への影響についても、より安全な再生環境を提供できる。
低価格であることから、一部ではなく、大多数の人が、｛電車内や航空機内｝での退屈な長時間を｛適度な音量と良い音質｝で快適に楽しむことができるようになる。
騒音環境での携帯電話の通話についても、受話条件が格段に良くなることから、使い勝手が便利になるばかりでなく、｛騒音環境下ではありがちな｝大声での電話会話を減少させる方向に作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０２９】本案発明の遮音エレメントを装着できる構造を設けた｛背面開口型の再生特性の良い、最も一般的なイヤホン｝に、本案発明の遮音エレメントを装着したイヤホン。
多様な｛デザインや形状｝の交換可能な遮音エレメント。
｛本案発明の遮音エレメントを装着したイヤホン｝と｛遮音エレメントの逆減衰音響特性を組み込んだ音楽再生装置や携帯電話や再生端末装置｝の組み合わせ。
【実施例】
【０３０】イヤホン用遮音エレメント
遮音エレメントが装着されたイヤホン
遮音エレメントが着脱できるイヤホン
イヤホンに装着できる遮音エレメント
遮音エレメントの逆減衰特性を組み込んだ携帯電話装置
遮音エレメントの逆減衰特性を組み込んだ携帯型再生装置
遮音エレメントの逆減衰特性を組み込んだ航空機客席再生端末装置
遮音エレメントの逆減衰特性を組み込んだ電車客席再生端末装置
【産業上の利用可能性】
【０３１】実用的で、安価で、製造が簡単で、使いやすく、リダクション性能が高く、再生音質の良いことから、現状のノイズリダクション方式とは異なり、応用範囲が極めて広い。本発明は、｛騒音下で音を聴く可能性｝のある｛ほとんど全ての装置｝に装着される可能性を持っている。
【図面の簡単な説明】
【０３２】
【図１】一実施例の説明図
【図２】図１の実施例の使用状態での説明図
【図３】一実施例の説明図
【図４】図３の実施例の使用状態での説明図
【図５】従来の例の説明図
【図６】従来の例の使用状態での説明図
【図７】本案発明の遮音エレメントの減衰特性の特性例
【図８】女性ボーカル楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図９】映画音楽楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１０】ジャズ楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１１】オーケストラによる楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１２】合唱団による楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１３】強いベースの楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１４】心地良い楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１５】男性女性交互のニュースのスペクトルのピークホールド分布
【図１６】男性レクチュアーのスペクトルのピークホールド分布
【図１７】ジェットエンジン音のスペクトルのピークホールド分布
【図１８】雷音のスペクトルのピークホールド分布
【図１】
2009219095.tif 000003
【図２】
2009219095.tif 000004
【図３】
2009219095.tif 000005
【図４】
2009219095.tif 000006
【図５】
2009219095.tif 000007
【図６】
2009219095.tif 000008
【図７】
2009219095.tif 000009
【図８】
2009219095.tif 000010
【図９】
2009219095.tif 000011
【図１０】
2009219095.tif 000012
【図１１】
2009219095.tif 000013
【図１２】
2009219095.tif 000014
【図１３】
2009219095.tif 000015
【図１４】
2009219095.tif 000016
【図１５】
2009219095.tif 000017
【図１６】
2009219095.tif 000018
【図１７】
2009219095.tif 000019
【図１８】
2009219095.tif 000020
【図１９】
2009219095.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月10日(2008.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３２】
【図１】一実施例の説明図
【図２】図１の実施例の使用状態での説明図
【図３】一実施例の説明図
【図４】図３の実施例の使用状態での説明図
【図５】従来の例の説明図
【図６】従来の例の使用状態での説明図
【図７】本案発明の遮音エレメントの減衰特性の特性例
【図８】女性ボーカル楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図９】男性ボーカル楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１０】映画音楽楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１１】ジャズ楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１２】オーケストラによる楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１３】合唱団による楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１４】強いベースの楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１５】心地良い楽曲例のスペクトルのピークホールド分布
【図１６】男性女性交互のニュースのスペクトルのピークホールド分布
【図１７】男性レクチュアーのスペクトルのピークホールド分布
【図１８】ジェットエンジン音のスペクトルのピークホールド分布
【図１９】雷音のスペクトルのピークホールド分布