JP2013037381A - ノイズキャンセリング装置、ノイズキャンセリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズをキャンセルできる帯域が広く、かつ、安定してノイズの大きな低減効果を得られるようにする。
【解決手段】
ユーザの耳部に装着される筐体の内部に設けられた第１の音声集音手段で収集された当該筐体の内部に漏れ込んでくる第１のノイズ信号と、ユーザの耳部に装着される前記筐体の外部に設けられた第２の音声集音手段で収集されたノイズ源からの第２のノイズ信号とが入力される。そして第１のノイズ信号から所定のキャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第１のノイズ低減信号を形成するとともに、第２のノイズ信号からノイズをキャンセルポイントにおいて低減させるための第２のノイズ低減信号を形成する。音声信号に対し、第１のノイズ低減信号と第２のノイズ低減信号の少なくとも一方を合成する信号合成を行い、これを増幅して、合成された信号を出力する。
【選択図】図８

Description

この発明は、例えば、再生された音楽等を聴取するための騒音を低減させるノイズキャンセリング装置、ノイズキャンセル方法に関する。

従来、ヘッドホンに搭載されているアクティブなノイズキャンセリングシステム（ノイズ低減システム）が存在している。そして、現状実用化されているノイズキャンセリングシステムは、すべてアナログ回路での構成となっており、現行方式としては、大別すると、フィードバック方式とフィードフォワード方式との２つの方式がある。

例えば、後に記す特許文献１（特開平３−２１４８９２号公報）には、ユーザの耳に装着される音響管１内に設けられるマイクロホンユニット６で収音した音響管内部の騒音を位相反転させて当該マイクロホンユニット６の近傍に設けられるイヤホンユニット３から放音させることにより、外部騒音を低減させるようにする発明が開示されている。

また、後に記す特許文献２（特開平３−９６１９９号公報）には、装着時において、ヘッドホン１とユーザの耳道との間に位置する第２のマイクロホン３の出力を用いて、装着時において耳の近傍に設けられる外部騒音を収音する第１のマイクロホン２からヘッドホン１までの伝達特性を、外部騒音が耳道に到達するまでの伝達特性に同定することにより、ヘッドホンの装着の仕方に係わらず、外部騒音を低減できるようにする騒音低減ヘッドホンについての発明が開示されている。

なお、上記の特許文献１、特許文献２は、以下の通りである。
特開平３−２１４８９２号公報 特開平３−９６１９９号公報

ところで、一般に、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムは、ノイズをキャンセルできる帯域（ノイズを低減できる帯域）は狭いが、比較的に大きな低減が可能であるという特徴がある。一方、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムは、ノイズをキャンセルできる帯域は広く、安定性があるものの、ノイズ源との位置関係などにより想定していた伝達関数と合致しない時に、当該周波数においてノイズが増えてしまう可能性があると考えられる。

このため、ノイズをキャンセルできる帯域が広く、安定性のあるフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムを用いた場合、ノイズが減っている帯域が広くても、特定の狭い帯域でのノイズが目立ってしまうような場合には、低減効果を聴取者（ユーザ）が感じることができない場合があると考えられる。

以上のことに鑑み、この発明は、ノイズをキャンセルできる帯域が広く、かつ、安定してノイズの大きな低減効果を得られるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明のノイズキャンセリング装置は、ユーザの耳部に装着される筐体の内部に設けられた第１の音声集音手段で収集された当該筐体の内部に漏れ込んでくる第１のノイズ信号が入力され、前記第１のノイズ信号から所定のキャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第１のノイズ低減信号を形成する第１の信号処理手段と、ユーザの耳部に装着される前記筐体の外部に設けられた第２の音声集音手段で収集されたノイズ源からの第２のノイズ信号とが入力され、前記第２のノイズ信号から前記キャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第２のノイズ低減信号を形成する第２の信号処理手段と、音声信号に対し、前記第１のノイズ低減信号と前記第２のノイズ低減信号の少なくとも一方を合成する信号合成を行う合成手段と、前記合成手段で合成された信号を増幅処理する増幅手段と、前記増幅手段からの合成された信号を出力する出力手段とを備える。

この請求項１に記載の発明のノイズキャンセリング装置によれば、第１の信号処理手段と、合成手段と、増幅手段と、出力手段とで構成されるフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分と、第２の信号処理手段と、合成手段と、増幅手段と、出力手段とで構成されるフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分との一方又は両方が機能するようにされ、キャンセルポイントにおけるノイズが低減するようにされる。

この発明によれば、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムと、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの一方又は両方を機能させることで、フィードフォワード方式とフィードバック方式のいずれかの特性もしくは両方の特性を生かしたノイズキャンセルを行うことができ、適切なノイズ低減効果を得ることができる。

フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて説明するための図である。 フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムについて説明するための図である。 図１に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの特性を示す計算式を説明するための図である。 フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおける位相余裕とゲイン余裕について説明するためのボード線図である。 図２に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの特性を示す計算式を説明するための図である。 ＦＦフィルタ回路２２、ＦＢフィルタ回路１２を、デジタルフィルタの構成とした場合の構成例を説明するためのブロック図である。 フィードフォワード方式の問題点について説明するための図である。 ノイズキャンセリングシステムの第１の例を説明するためのブロック図である。 図８に示したＦＦフィルタ回路２２とＦＢフィルタ回路１２を説明するためのブロック図である。 フィードバック方式とフィードフォワード方式とのそれぞれのノイズキャンセリングシステムの減衰特性の一般的な違いを説明するための図である。 図８に示した構成を有するツイン方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性について説明するための図である。 ノイズキャンセリングシステムの第２の例を説明するためのブロック図である。 ノイズキャンセリングシステムの第３の例を説明するためのブロック図である。 ノイズキャンセリングシステムの第３の例を説明するためのブロック図である。 ＦＢフィルタ回路１２の構成、特に、ＡＤＣ１２１とＤＡＣ１２３との構成について説明するためのブロック図である。

以下、図を参照しながら、この発明の一実施の形態について説明する。

［ノイズキャンセリングシステムについて］
現在、ヘッドホンやイヤホンを対象として外部騒音をアクティブに低減するシステム、所謂ノイズキャンセリングシステムが、普及しはじめている。製品化されているものに関しては、ほとんどがアナログ回路により構成されているものであり、そのノイズキャンセリング手法としては、フィードバック方式とフィードフォワード方式とに大別される。

まず、この発明の一実施の形態の具体的な説明をするに先立って、図１〜図５を参照しながら、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの構成例と動作原理と、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの構成例と動作原理とについて説明する。

なお、図１は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて説明するための図であり、図２は、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムについて説明するための図である。また、図３は、図１に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの特性を示す計算式を説明するための図であり、図４は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおける位相余裕とゲイン余裕について説明するためのボード線図である。また、図５は、図２に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの特性を示す計算式を説明するための図である。

［フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて］
まず、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて説明する。図１（Ａ）は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンシステムが、ユーザヘッド（ユーザ（聴取者）の頭部）ＨＤに装着された場合の右チャンネル側の構成を示しており、図１（Ｂ）は、当該フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの全体構成を示している。

フィードバック方式は、一般的に図１（Ａ）のようにヘッドホン筐体（ハウジング部）ＨＰの内側にマイクロホン１１１（以下、マイクと略称する。）があり、当該マイク１１１で収音した信号（ノイズ信号）の逆相成分（ノイズ低減信号）を戻しサーボ制御することで、外部からヘッドホン筐体ＨＰに入ってきたノイズを減衰させるものである。この場合、マイク１１１の位置が聴取者の耳位置に相当するキャンセルポイント（制御点）ＣＰとなるため、ノイズ減衰効果を考慮し、通常、聴取者の耳に近い位置、つまりドライバ１６の振動板前面にマイク１１１が置かれることが多い。

具体的に、図１（Ｂ）のブロック図を参照しながら、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムについて説明する。図１（Ｂ）に示すフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムは、マイク１１１とマイクアンプ１１２からなるマイク及びマイクアンプ部１１と、フィードバック制御のために設計されたフィルタ回路（以下、ＦＢフィルタ回路という。）１２と、合成部１３と、パワーアンプ１４と、ドライブ回路１５１とスピーカ１５２からなるドライバ１５と、イコライザ１６とを備えたものである。

図１（Ｂ）において、各ブロック内に記載された文字Ａ、Ｄ、Ｍ、−βは、パワーアンプ１４、ドライバ１５、マイク及びマイクアンプ部１１、ＦＢフィルタ回路１２の各伝達関数とする。同様に、図１（Ｂ）において、イコライザ１６のブロック内の文字Ｅは、聴取する目的である信号Ｓに掛けられるイコライザ１６の伝達関数であり、ドライバ１５とキャンセルポイントＣＰ間に置かれたブロックの文字Ｈは、ドライバ１５からマイク１１１までの空間の伝達関数（ドライバ−キャンセルポイント間の伝達関数）である。これらの各伝達関数は、複素表現されているものとする。

また、図１（Ａ）、（Ｂ）において、文字Ｎは、外部のノイズソース（ノイズ源）ＮＳからヘッドホン筐体ＨＰ内のマイク位置近辺に侵入してきたノイズであり、文字Ｐは、聴取者の耳に届く音圧（出力音声）を表すものとする。ノイズＮがヘッドホン筐体ＨＰ内に伝わってくる原因としては、例えば、ヘッドホン筐体ＨＰのイヤーパッド部の隙間から音圧として漏れてくる場合や、ヘッドホン筐体ＨＰが音圧を受けて振動した結果として筐体内部に音が伝わるなどのことが考えられる。

この時、図１（Ｂ）において、聴取者の耳に届く音圧Ｐは、図３の（１）式のように表現することができる。この図３の（１）式において、ノイズＮに着目すれば、ノイズＮは、１／（１＋ＡＤＨＭβ）に減衰していることがわかる。ただし、図３の（１）式の系がノイズ低減対象帯域にてノイズキャンセリング機構として安定して動作するためには、図３の（２）式が成立している必要がある。

一般的には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおける各伝達関数の積の絶対値が１以上（１＜＜｜ＡＤＨＭβ｜）であること、また古典制御理論におけるＮｙｑｕｉｓｔの安定性判別と合わせて、図３の（２）式に関わる系の安定性は以下のように解釈できる。

図１（Ｂ）において、ノイズＮに関わるループ部分を１箇所切断してできる（−ＡＤＨＭβ）の「オープンループ」を考える。例えば、図１（Ｂ）において、マイク及びマイクアンプ部１１とＦＢフィルタ回路１２との間に切断箇所を設けるようにすれば、「オープンループ」を形成できる。このオープンループは、例えば図４に示すようなボード線図で表現される特性を持つものである。

このオープンループを対象とした場合、Ｎｙｑｕｉｓｔの安定性判別より、
（１）位相０ｄｅｇ．（０度）の点を通過する時、ゲインは０ｄＢ（０デシベル）より小さくなくてはならない。
（２）ゲインが０ｄＢ以上である時、位相０ｄｅｇ．の点を含んではいけない。
という（１）、（２）の２つの条件を満たす必要がある。

上記の（１）、（２）の条件を満たさない場合、ループは正帰還がかかり発振（ハウリング）を起こすことになる。図４において、記号Ｐａ、Ｐｂは位相余裕を、記号Ｇａ、Ｇｂはゲイン余裕を表しており、これらの余裕が小さいと、ノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンを利用する聴取者の種々の個人差や当該ヘッドホンの装着のばらつきなどにより、発振の危険性が増すことになる。

すなわち、図４において、横軸は周波数である。そして、縦軸は、下半分がゲインであり、上半分が位相である。そして、位相０ｄｅｇ．の点を通過するときには、図４においてゲイン余裕Ｇａ、Ｇｂが示すように、ゲインは０ｄＢより小さくなければ、ループは正帰還がかかり発振を起こし、また、ゲインが０ｄＢ以上であるときには、図４において位相余裕Ｐａ、Ｐｂが示すように、位相０ｄｅｇ．を含まないようになっていなければ、ループは正帰還がかかり発振を起こすことになる。

次に、図１（Ｂ）に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおいて、上述したノイズ低減機能に加え必要な音をヘッドホンから再生する場合について説明する。図１（Ｂ）における入力音声Ｓは、例えば、音楽再生装置からの音楽信号の他、筐体外部のマイクの音（補聴機能として使う場合）や、電話通信などの通信を介した音声信号（ヘッドセットとして使う場合）など、本来、ヘッドホンのドライバで再生すべき音声信号の総称である。

図３の（１）式において、入力音声Ｓに着目すると、イコライザ１６の伝達関数Ｅは、図３の（３）式のように示すことができる。そして、図３の（３）式のイコライザ１６の伝達関数Ｅをも考慮すると、図１（Ｂ）のノイズキャンセリングシステムの出力音声Ｐは、図３の（４）式のように表現することができる。

マイク１１１の位置が耳位置に非常に近いとすると、文字Ｈがドライバ１１５からマイク１１１（耳）までの伝達関数、文字Ａや文字Ｄがそれぞれパワーアンプ１１４、ドライバ１１５の伝達関数であるので、通常のノイズ低減機能を持たないヘッドホンと同様の特性が得られることがわかる。なお、この時イコライザ１６の伝達特性Ｅは、周波数軸でみたオープンループ特性とほぼ同等の特性になっている。

［フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムについて］
次に、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムに関して説明する。図２（Ａ）は、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンシステムが、ユーザヘッド（ユーザ（聴取者）の頭部）ＨＤに装着された場合の右チャンネル側の構成を示しており、図２（Ｂ）は、当該フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの全体構成を示している。

フィードフォワード方式は、基本的に図２（Ａ）に示すようにヘッドホン筐体ＨＰの外部にマイク２１１が設置されており、このマイク２１１で収音したノイズに対して適切なフィルタリング処理をして、ヘッドホン筐体ＨＰ内部のドライバ２５にてこれを再生し、耳に近いところでこのノイズをキャンセルすることを意図した方式である。

具体的に、図２（Ｂ）のブロック図を参照しながら、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムについて説明する。図２（Ｂ）に示すフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムは、マイク２１１とマイクアンプ２１２からなるマイク及びマイクアンプ部２１と、フィードフォワード制御のために設計されたフィルタ回路（以下、ＦＦフィルタ回路という。）２２と、合成部２３と、パワーアンプ２４と、ドライブ回路２５１とスピーカ２５２からなるドライバ２５とを備えたものである。

この図２（Ｂ）に示すフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムにおいても、各ブロック内に記載された文字Ａ、Ｄ、Ｍは、パワーアンプ２４、ドライバ２５、マイク及びマイクアンプ部２１の各伝達関数である。また、図２において、文字Ｎは、外部のノイズソース（ノイズ源）を示している。ノイズソースＮに応じたノイズがヘッドホン筐体ＨＰ内に侵入してくる主な理由はフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおいて説明した通りである。

また、図２（Ｂ）においては、外部のノイズソースＮの位置から耳位置ＣＰに至るまでの伝達関数（ノイズソース−キャンセルポイント間の伝達関数）を文字Ｆで表し、ノイズソースＮからマイク２１１に至るまでの伝達関数（ノイズソース−マイク間の伝達関数）を文字Ｆ’で表し、ドライバ２５からキャンセルポイント（耳位置）ＣＰに至るまでの伝達関数（ドライバ−キャンセルポイント間の伝達関数）を文字Ｈで表している。

そして、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの核となるＦＦフィルタ回路２２の伝達関数を、−αと置くと、図２（Ｂ）において、聴取者の耳に届く音圧Ｐ（出力音声）は、図５の（１）式のように表現することができる。

ここで、理想的な状態を考えると、ノイズソース−キャンセルポイント間の伝達関数Ｆは、図５の（２）式のように表すことができる。そして、図５の（２）式を図５の（１）式に代入すれば、第１項と第２項とは相殺されるので、結果として、図２（Ｂ）に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムにおいて、出力音声Ｐは、図５の（３）式に示すように表すことができ、ノイズはキャンセルされ、音楽信号(または聴取する目的の音声信号等)だけが残り、通常のヘッドホン動作と同様の音を聴取できることがわかる。

ただし、実際は、図５に示した（２）式が完全に成立するような伝達関数を持つ完全なフィルタの構成は困難である。特に中高域に関して、人により耳の形状は異なるし、また、ヘッドホンの装着状態もまちまちであるなど、個人差が大きいことと、ノイズの位置やマイク位置などにより特性が変化する、などの理由のため通常は中高域に関してはこのアクティブなノイズ低減処理を行わず、ヘッドホン筐体でパッシブな遮音をすることが多い。なお、図５の（２）式は、数式を見れば自明であるが、ノイズ源から耳位置までの伝達関数を、伝達関数αを含めた電気回路にて模倣することを意味している。

なお、図２に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムにおけるキャンセルポイントＣＰは、図２（Ａ）に示した通り、図１（Ａ）のフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムと異なり、聴取者の任意の耳位置において設定することができる。しかしながら、通常の場合、伝達関数αは固定的であり、設計段階においては、なんらかのターゲット特性を対象とした決めうちになることになり、聴取者よって耳の形状が違うため、十分なノイズキャンセル効果が得られなかったり、ノイズ成分を非逆相で加算してしまったりして、異音がするなどの現象が起こる可能性もある。

これらのことより、一般的にフィードフォワード方式は、発振する可能性が低く安定度が高いが、十分な減衰量を得るのは困難であり、一方、フィードバック方式は大きな減衰量が期待できる代わりに、系の安定性に注意が必要となる。フィードバック方式とフィードフォワード方式とには、それぞれに特徴を有している。

また、別途、適応信号処理手法を用いたノイズ低減ヘッドホンが提案されている。この適応信号処理手法を用いたノイズ低減ヘッドホンの場合、通常、ヘッドホン筐体内部及び外部の両方にマイクが設置される。内部のマイクはフィルタ処理成分とのキャンセルを試みたエラー信号を解析し、新たな適応フィルタを生成・更新する際に用いてはいるが、基本的にヘッドホン筐体外部のノイズをデジタルフィルタ処理してドライバで再生していることから、大きな枠組みとしてはフィードフォワード方式の形をとっている。

［この発明によるノイズキャンセリングシステムについて］
そして、この発明では、上述したフィードバック方式とフィードフォワード方式の双方の利点を持つものである。なお、以下に説明するこの発明が適用された実施の形態のノイズキャンセリングシステムにおいても、図１、図２を用いて説明したノイズキャンセリングシステムと同様に構成される部分には、同じ参照符号を付し、それらの詳細な説明は省略することとする。

また、以下に説明する実施の形態おいては、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムにおけるＦＦフィルタ回路（当該回路の伝達関数−αにちなんで、α回路という場合もある。）２２と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムにおけるＦＢフィルタ回路（当該回路の伝達関数−βにちなんで、β回路という場合もある。）１２とをデジタルフィルタの構成を有するものとして説明する。

図６は、ＦＦフィルタ回路２２、ＦＢフィルタ回路１２を、デジタルフィルタの構成とした場合の構成例を説明するためのブロック図である。図６（Ａ）に示すように、図２に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムにおけるＦＦフィルタ回路２２は、マイクアンプ２１２と、パワーアンプ２４との間に設けられるものである。また、図６（Ｂ）に示すように、図１に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムのＦＢフィルタ回路１２は、マイクアンプ１１２とパワーアンプ１４との間に設けられるものである。

そして、これらＦＦフィルタ回路２２、ＦＢフィルタ回路１２を、デジタルフィルタの構成とする場合には、図６（Ｃ）に示すように、マイクで収音されたアナログノイズ信号をデジタルノイズ信号に変換するＡＤＣ（Analog Digital Converter）と、デジタルノイズ信号からノイズを低減させるノイズ低減信号を演算により形成するＤＳＰ（Digital Signal Processor）／ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＤＳＰ／ＣＰＵからのデジタルノイズ低減信号を、アナログノイズ低減信号に変換するＤＡＣ（Digital Analog Converter）とにより構成することができる。なお、図６（Ｃ）において、ＤＳＰ／ＣＰＵという記載は、ＤＳＰまたはＣＰＵのいずれかを用いることを意味している。

このように、ＦＦフィルタ回路１２やＦＢフィルタ回路１２をデジタルフィルタの構成とすることにより、（１）複数のモードを自動的、またはユーザが手動にて選択可能なシステムが構成可能になり、ユーザからみた使用性能が高まる。（２）細かい制御が可能なデジタルフィルタリングを行うことで、ばらつきが少なく高精度な制御品質を得ることができ、結果的にノイズ低減量、低減帯域の拡大につながる。

また、（３）部品点数を変更することなく、演算処理装置（ＤＳＰ（Digital Signal Processor）／ＣＰＵ（Central Processing Unit））に対するソフトウェアの変更で、フィルタ形状を変更することができるようにされるため、システム設計やデバイス特性変更に伴う改変が容易になる。（４）音楽再生や通話などの外部入力に対しても、同じＡＤＣ／ＤＡＣやＤＳＰ／ＣＰＵを共用することで、これら外部入力信号に対しても、高精度のデジタルイコライジングを施すことで、高音質な再生が期待できる。

このように、ＦＦフィルタ回路２２、ＦＢフィルタ回路１２を、デジタル化することにより、少なくとも上述した（１）〜（４）に記載した効果を期待することができ、種々の場合に対応して柔軟な制御が可能になり、使用する聴取者を選ばず、高品位にノイズをキャンセルできるシステムを構成することができるようになる。

［フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの問題点について］
フィードフォワード方式は前述の通り、高い安定性を大きな特長としている。しかし、１つの問題点を内在している。図７は、フィードフォワード方式の問題点について説明するための図であり、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムが適用されたヘッドホンシステムが、ユーザヘッド（ユーザ（聴取者）の頭部）ＨＤに装着された場合の右チャンネル側の構成を示す図である。

図７（Ａ）において、ノイズ源Ｎ１を起点とし、ヘッドホン筐体内側の耳道近辺に設けられるようにされるキャンセルポイント（ノイズキャンセルのターゲットポイント）ＣＰまでの伝達関数をＦ１とし、同じく、ノイズ源Ｎ１からヘッドホンの筐体外部に設けられたマイク２１１までの伝達関数をＦ１’とする。

この時、ヘッドホン筐体外部に設置されたマイク２１１で収音された音を使いＦＦフィルタ回路（α回路）２２のフィルタを調整し、図５の（３）で表されるとおり、キャンセルポイントＣＰまでの伝達関数Ｆ１を（Ｆ１’ＡＤＨＭα）により模擬し、最終的にはヘッドホン内部での音響空間内で減算され、ノイズ低減に繋がるものである。ここで通常は低域にのみ図５の（３）式は適用され、高域では位相があわなくなってくるため、ＦＦフィルタ回路２２のゲインをとらない（キャンセルは行わない）のが通常である。

さて、ここでＦＦフィルタ回路２２のフィルタは固定であり、図７（Ａ）に示したようなノイズ位置関係の時に伝達特性αの特性を最適化してあり、またノイズの収音を行うマイクの位置も変化させず、個数も１つである、と考えると、図７（Ｂ）において、ノイズ源Ｎ２が示すように、マイク２１１とは反対側にノイズ源が存在するような場合に好ましくない。

つまり、図７（Ｂ）に示した例の場合は、ノイズ源Ｎ２から発せられたノイズの音波はまず先にヘッドホンと頭部の隙間から漏れ入り、ヘッドホン筐体内で不快なノイズとなる。その後ヘッドホン外側に到達し、マイク２１１で収音されて、ＦＦフィルタ回路１２で特定のフィルタリング（-α）を受けて、ドライバで再生されることになる。

図７（Ｂ）と図７（Ａ）とを比較すると分かるように、図７（Ａ）の方は漏れ入ってくるノイズと、ドライバ２５からさせされる再生信号が同時刻にキャンセルポイントＣＰに到着し、双方が逆位相の関係になる帯域が広いため一定のノイズ低減効果が得られる。しかし、図７（Ｂ）の場合には、ヘッドホン筐体内に漏れ入るノイズと、マイクロホン２１１に到達するノイズとが存在することになり、結果として想定していない時間差のある信号を加えることになって、特に中高域で位相が逆相になるのではなく、正相として加算される帯域が増えてくる。

したがって、図７（Ｂ）に示した状態にある場合には、結果として、ノイズ減衰を目的としていたが、位相が一致してしまう周波数に対してノイズが増えることになる。この時、広い帯域にて大きな減衰が実現できていたとしても、人間の聴覚は、狭い帯域でもノイズが発生していることに対して違和感を覚えるため、あまり実用的ではない。

こういったことは、当然ながら位相回転の速い高域にいけばいくほど、その状況を生みやすい。したがって、これがフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムのＦＦフィルタ回路２２において、ノイズキャンセルの有効効果帯域（α特性のゲインがある帯域）を狭めることの原因になっている。

［この発明の一実施の形態が適用されたノイズキャンセリングシステムについて］
そこで、この実施の形態のノイズキャンセリングシステムは、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムと、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムとを重ね合わせたものを基本として、１つのノイズキャンセリングシステムを構成するようにしている。

すなわち、以下に説明する実施の形態のノイズキャンセリングシステムは、図７（Ａ）に示したような状態にあるときには、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムによって、広帯域に渡って安定してノイズキャンセリングを行えるようにすると共に、図７（Ｂ）に示したような状態にあるときには、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムによって、ヘッドホン筐体内に漏れ込んでくるノイズについても効果的にノイズキャンセリングできるようにするものである。

［第１の例のノイズキャンセリングシステムについて］
図８は、この実施の形態のノイズキャンセリングシステムの第１の例を説明するためのブロック図である。また、図９は、図８に示したＦＦフィルタ回路２２とＦＢフィルタ回路１２を説明するためのブロック図である。図８に示すように、この第１のノイズキャンセリングシステムは、向かって右側に形成されたフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムと、向かって左側に形成されたフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムとからなるものである。

すなわち、図８において、マイク２１１とマイクアンプ２１２とからなるマイク及びマイクアンプ部２１と、ＦＦフィルタ回路（α回路）２２と、パワーアンプ２４と、ドライバ２５とからなる部分が、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分である。ここで、ＦＦフィルタ回路２２は、図９（Ａ）に示すように、ＡＤＣ２２１、ＤＳＰ／ＣＰＵ部２２２、ＤＡＣ２２３からなるデジタルフィルタの構成とされたものである。

また、この例において、ＡＤＣ２７は、例えば、外部の音楽再生装置や補聴器のマイクロホンなどからのアナログ信号である入力音声を受け付けて、デジタル信号に変換し、これをＤＳＰ／ＣＰＵ部２２２に供給するものである。これにより、ＤＳＰ／ＣＰＵ部２２２において、外部から供給された入力音声に対して、ノイズを低減するためのノイズ低減信号を加算することができるようにしている。

なお、図８に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分において、マイク及びマイクアンプ部２１の伝達関数は「Ｍ１」であり、ＦＦフィルタ回路２２の伝達関数は「−α」であり、パワーアンプ２４の伝達関数は「Ａ１」であり、ドライバ２５の伝達関数は「Ｄ１」である。また、当該フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分においては、ドライバ−キャンセルポイント間の伝達関数「Ｈ１」と、ノイズソース−キャンセルポイント間の伝達関数「Ｆ」と、ノイズソース−マイク間の伝達関数「Ｆ’」を考慮することができるものである。

また、図８において、マイク１１１とマイクアンプ１１２とからなるマイク及びマイクアンプ部１１と、ＦＢフィルタ回路（β回路）１２と、パワーアンプ１４と、ドライブ回路１５１とスピーカ１５２とからなるドライバ１５とからなる部分が、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムである。ここで、ＦＢフィルタ回路１２は、図９（Ｂ）に示すように、ＡＤＣ１２１、ＤＳＰ／ＣＰＵ部１２２、ＤＡＣ１２３からなるデジタルフィルタの構成とされたものである。

なお、図８に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分において、マイク及びマイクアンプ部１１の伝達関数は「Ｍ２」であり、ＦＢフィルタ回路１２の伝達関数は「−β」であり、パワーアンプ１４の伝達関数は「Ａ２」であり、ドライバ１５の伝達関数は「Ｄ２」である。また、当該フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分においては、ノイズソース−キャンセルポイント間の伝達関数「Ｈ２」を考慮することができるものである。

この図８に示した構成のノイズキャンセリングシステムの場合には、まず外部のノイズ音はフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分において取り込まれてキャンセルするようにされる。ところが、ノイズ音の発信源やその音波の性質（例えば、球面波、平面波的な振る舞い）によって、現実的には上述もしたようにヘッドホン筐体内部において、ノイズ低減される帯域が得られる一方で、ノイズを効果的にキャンセルすることができず、結果としてノイズが残存する帯域も起こり得る。これはヘッドホンの装着状態や、個人の耳の形状においても同様の問題が発生する。

しかし、図８に示した構成のノイズキャンセリングシステムの場合には、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分で残留してしまったノイズ成分や、ヘッドホン筐体内部にもれ込んできたノイズ成分については、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分の働きによって効果的にキャンセルすることができるようにされる。すなわち、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とを同時に機能させることによって、それぞれ単体で使用したとき以上のノイズキャンセル効果（ノイズ低減効果）を得ることができるようにしている。

このように、この図８に示したノイズキャンセリングシステムの場合には、ヘッドホン筐体内部に漏れ込んできたノイズについては、図８において右側に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分によってキャンセルポイントＣＰにおいて適切にノイズをキャンセルすることができると共に、ヘッドホン筐体外部のノイズ源Ｎからのノイズについては、図８において左側に示したフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分によってキャンセルポイントＣＰにおいて適切にノイズをキャンセルすることができるものである。

なお、図８に示したノイズキャンセリングシステムは、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とで、それぞれ別個にマイク及びアンプ部、パワーアンプ、ドライバを備えているものである。

図１０は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムとフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性の一般的な違いを説明するための図である。図１０において、横軸は周波数、縦軸は減衰量である。そして、上述もし、また、図１０にも示すように、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性は、狭帯域、高レベルであるのに対して、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性は、広帯域、低レベルである。

しかし、図８に示したノイズキャンセリングシステムの場合には、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分を備えた、言わばツイン方式のノイズキャンセリングシステムであり、このツイン方式の場合には、図１０に示したフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの特性とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの特性とを合わせたかたちの減衰特性を有するものとなる。

図１１は、図８に示した構成を有するツイン方式のノイズキャンセリングシステムを用いた場合の減衰特性の実測値と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムを用いた場合の減衰特性の実測値と、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムを用いた場合の減衰特性の実測値とを示す図である。

図１１において、横軸は周波数、縦軸は減衰量である。そして、図１１において、粗い点線で示され、「Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ」の文字が付すようにされているグラフがフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性を示しており、細かい点線で示され、「Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ」の文字が付すようにされているグラフがフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性を示しており、実線で示され、「Ｔｗｉｎ」の文字が付すようにされているグラフが、図８に示した構成を有するツイン方式のノイズキャンセリングシステムの減衰特性を示すグラフである。

この図１１からも分かるように、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムの場合には、狭帯域、高レベルの減衰特性を有し、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムの場合には、広帯域、低レベルの減衰特性を有していることが分かる。そして、ツイン方式の場合には、広帯域に渡って、高レベルの減衰特性を実現していることが分かる。

このように、図８に示した構成のいわゆるツイン方式のノイズキャンセリングシステムの場合には、フィードバック方式とフィードフォワード方式の減衰特性を合わせ持ち、広帯域、高レベルの減衰特性を実現することができるものである。

［第２の例のノイズキャンセリングシステムについて］
図１２は、この実施の形態のノイズキャンセリングシステムの第２の例を説明するためのブロック図である。図１２に示すノイズキャンセリングシステムの第２の例の場合には、マイク２１１とマイクアンプ２１２とからなるマイク及ぶマイクアンプ部２１と、ＡＤＣ３２１とＤＳＰ／ＣＰＵ部３２２とＤＡＣ３２３とからなるＦＦフィルタ回路２２と、パワーアンプ３３と、ドライブ回路３４１とスピーカ３４２とからなるドライバ３４とによって、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分を形成している。

さらに、図１２に示すノイズキャンセリングシステムの第２の例の場合には、マイク１１１とマイクアンプ１１２とからなるマイク及ぶマイクアンプ部１１と、ＡＤＣ３２４とＤＳＰ／ＣＰＵ部３２２とＤＡＣ３２３とからなるＦＢフィルタ回路１２と、パワーアンプ３３と、ドライブ回路３４１とスピーカ３４２とからなるドライバ３４とによって、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分を形成している。

すなわち、図８に示したノイズキャンセリングシステムの第１の例の場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とを別個独立に形成して接続した構成を有するのに対して、この図１２に示すノイズキャンセリングシステムの第２の例の場合には、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２と、ＤＡＣ３２３と、パワーアンプ３３と、ドライバ３４とを、フィードバック方式とフィードフォワード方式とで共通化するようにしたものである。

そして、この図１２に示すノイズキャンセリングシステムの第２の例の場合、マイク及びマイクアンプ部２１の伝達関数は「Ｍ１」であり、ＦＦフィルタ回路２２の伝達関数は「−α」であり、パワーアンプ３３の伝達関数は「Ａ」であり、ドライバ３４の伝達関数は「Ｄ」である。マイク及びマイクアンプ部１１の伝達関数は「Ｍ２」であり、ＦＢフィルタ回路２２の伝達関数は「−β」である。

また、図１２に示すノイズキャンセリングシステムの第２の例の場合においても、ドライバ−キャンセルポイント間の伝達関数「Ｈ」と、ノイズソース−キャンセルポイント間の伝達関数「Ｆ」と、ノイズソース−マイク間の伝達関数「Ｆ’」とを考慮することができるものである。

また、この図１２に示した第２の例の場合にも、入力音声がＡＤＣ３５を介してＤＳＰ／ＣＰＵ部３２２に供給され、ここで、ノイズ低減信号と加算することができるようにしている。

したがって、図１２に示す第２の例のノイズキャンセリングシステムにおいて、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２は、ヘッドホン筐体外部のマイク２１１で収音された音声に基づいてノイズ低減信号を形成すると共に、ヘッドホン筐体内部のマイク１１１で収音された音声に基づいてノイズ低減信号を形成し、これらを合成する処理をも行うことができるものである。さらに、この図１２に示した例の場合には、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２は、ＡＤＣ３５を通じて受け付けた入力音声を受け付けて調整処理し、ノイズ低減信号に合成するようにする機能をも実現するものである。すなわち、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２は、入力音声についての入力回路（イコライザ）としての機能をも実現することができるものである。

このように、図１２に示した第２の例のノイズキャンセリングシステムの場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とで共通化する部分を設けることにより、部品点数を抑え、構成を簡単にすることができるものである。

しかし、上述もしたように、マイク及ぶマイクアンプ部２１と、ＦＦフィルタ回路２２と、パワーアンプ３３と、ドライバ３４とからなるフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分と、マイク及ぶマイクアンプ部１１と、ＦＢフィルタ回路１２と、パワーアンプ３３と、ドライバ３４とからなるフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とを同時に機能させることにより、広帯域、高レベルの減衰特性を実現するツイン方式のノイズキャンセリングシステムを構成することができる。

［第３の例のノイズキャンセリングシステムについて］
ところで、図８、図１２に示したツイン方式のノイズキャンセリングシステムにおいて、入力音声Ｓが示すように、音楽再生装置からの音楽信号や補聴器のマイクで収音した音声信号などの外部ソースを聴取する場合には、音声や音楽などが聞こえているため、ノイズの低減量はそれほど大きくなくてもよい場合もある。反面、外部ソースを聴取する必要はないが、騒音を低減させることにより、高品位な無音状態を形成したい場合もある。例えば、ひどい騒音の中で作業しなければならない場合においては、高品位に騒音を低減したいとする要求が高い。

そこで、この第３の例は、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とを合わせ持つツイン方式のノイズキャンセリングシステムであるが、外部ソースを聴取する場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分との内のいずれか一方だけを機能させ、外部ソースを聴取する必要はなく、高品位な無音状態（できるだけ無音に近い状態）を形成した場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分との両方を機能させることができるように構成したものである。

図１３、図１４は、この実施の形態のノイズキャンセリングシステムの第３の例を説明するためのブロック図である。図１３、図１４に示すこの第３の例のノイズキャンセリングシステムの構成は、基本的には、図１２に示した第２の例のノイズキャンセリングシステムと同様に構成されるものである。このため、図１３、図１４において、図１２に示した第２の例のノイズキャンセリングシステムと同様に構成される部分には、同じ参照符号を付し、その詳細な説明については省略することとする。

そして、図１３に示す第３の例のノイズキャンセリングシステムは、図１２に示した第２の例のノイズキャンセリングシステムにおいて、マイク及びマイクアンプ部１１とＡＤＣ３２４との間にスイッチ回路３６を設け、マイク及びマイクアンプ部１１からの音声信号をＡＤＣ３２４に供給するか、外部から供給される外部ソースとしての入力音声ＳをＡＤＣ３２４に供給するかを切り換えることができるようにしたものである。

したがって、図１３に示す第３の例のノイズキャンセリングシステムの場合には、スイッチ回路３６が、入力端ａ側に切り換えられた場合には、入力音声Ｓは供給されなくなり、ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２とが機能することにより、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とが共に機能することによって、高品位な無音状態を形成することができるようにされる。

また、スイッチ回路３６が、入力端ｂ側に切り換えられた場合には、マイク及びマイクアンプ部１１からの音声は供給されなくなり、ＡＤＣ３２４、ＤＳＰ／ＣＰＵ部３２２は、入力音声Ｓの入力回路（イコライザ）として機能するようにされる。そして、この場合には、ＦＦフィルタ回路２２が機能することにより、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分のみが機能してノイズをキャンセルしながら、入力音声Ｓについて聴取することができるようにされる。

したがって、この場合、ＡＤＣ３２１、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３が、ＦＦフィルタ回路２２の機能を実現し、ＡＤＣ３２４、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３が、入力音声Ｓについてのイコライザの機能を実現する。すなわち、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３は、ＦＦフィルタ回路の機能と入力音声Ｓを処理するイコライザとしての機能を合わせ持つものである。

また、図１４に示す第３の例のノイズキャンセリングシステムは、図１２に示した第２の例のノイズキャンセリングシステムにおいて、マイク及びマイクアンプ部２１とＡＤＣ３２１との間にスイッチ回路３７を設け、マイク及びマイクアンプ部２１からの音声信号をＡＤＣ３２１に供給するか、外部から供給される外部ソースとしての入力音声ＳをＡＤＣ３２１に供給するかを切り換えることができるようにしたものである。

したがって、図１３に示す第３の例のノイズキャンセリングシステムの場合には、スイッチ回路３７が、入力端ａ側に切り換えられた場合には、入力音声Ｓは供給されなくなり、ＦＦフィルタ回路２２とＦＢフィルタ回路１２とが機能することにより、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分とが共に機能することによって、高品位な無音状態を形成することができるようにされる。

また、スイッチ回路３７が、入力端ｂ側に切り換えられた場合には、マイク及びマイクアンプ部２１からの音声は供給されなくなり、ＡＤＣ３２１、ＤＳＰ／ＣＰＵ部３２２は、入力音声Ｓの入力回路（イコライザ）として機能することになる。そして、この場合には、ＦＢフィルタ回路１２が機能することにより、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分のみが機能してノイズをキャンセルしながら、入力音声Ｓについて聴取することができるようにされる。

したがって、この場合、ＡＤＣ３２４、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３が、ＦＢフィルタ回路１２の機能を実現し、ＡＤＣ３２１、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３が、入力音声Ｓについてのイコライザの機能を実現する。すなわち、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３は、ＦＢフィルタ回路の機能と入力音声Ｓを処理するイコライザとしての機能を合わせ持つものである。

このように、図１３、図１４を用いて説明した第３の例のノイズキャンセリングシステムの場合には、外部ソースである入力音声Ｓを聴取する場合には、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分の何れか一方のみを機能させて、ノイズをキャンセルしながら（ノイズを低減させながら）入力音声を良好に聴取することができるようにされる。

さらに、聴取者が無音状態を聞きたい状況下においては、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分との両方を使用して、外界からのノイズと、位相不適合のため自己発生するノイズの両方をキャンセルするようにして、高品位な無音状態を形成し、大きなノイズ低減効果を体感することができるようにされる。

なお、図１３に示した第３の例のノイズキャンセリングシステムは、入力音声Ｓを再生する場合には、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムだけを機能させるものとして構成したものであり、図１４に示した第３の例のノイズキャンセリングシステムは、入力音声Ｓを再生する場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムだけを機能させるものとして構成したものである。しかし、これに限るものではなく、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分を機能させるか、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分を機能させるかを、聴取者が切り換えられるようにすることも可能である。

すなわち、図１３、図１４に示した第３の例のノイズキャンセリングシステムを合体させ、スイッチ回路３６とスイッチ回路３７との両方を設けるようにする。そして、さらに、入力音声Ｓをスイッチ回路３６に供給するのか、スイッチ回路３７に供給するのかを切り換えるスイッチ回路３８を設けるようにする。

そして、新たに設けるスイッチ回路３８を切り換えて、入力音声Ｓをスイッチ回路３６に供給するようにした場合には、スイッチ回路３６は入力端ｂ側に切り換えると共に、スイッチ回路３７は入力端ａ側に切り換えるようにすることによって、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分のみを機能させた上で、入力音声Ｓを聴取することができるようにされる。

逆に、新たに設けるスイッチ回路３８を切り換えて、入力音声Ｓをスイッチ回路３７に供給するようにした場合には、スイッチ回路３７は入力端ｂ側に切り換えると共に、スイッチ回路３６は入力端ａ側に切り換えるようにすることによって、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分のみを機能させた上で、入力音声Ｓを聴取することができるようにされる。

もちろん、この場合においても、高品位な無音状態を形成したい場合には、スイッチ回路３６とスイッチ回路３７とを共に入力端ａ側に切り換えることにより、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分とフィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分との両方を機能させて、高品位な無音状態を形成することもできるようにされる。

なお、上述した各スイッチ回路３６、３７、３８は、メカニカルなスイッチの構成とすることもできるし、電気的なスイッチの構成とすることもできる。

また、図８、図１２、図１３、図１４に示したノイズキャンセリングシステムは、いずれの場合にも、外部ソースである入力音声Ｓの供給を受けることができるものとして説明したが、これに限るものではない。外部からの入力音声Ｓを受け付ける入力端部を備えない、単なる騒音低減のためのノイズキャンセリングシステムとして実現することももちろん可能である。

［ＦＢフィルタ回路１２、ＦＦフィルタ回路２２のデジタル化の具体例について］
ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２と二ついては、これらをデジタル化する場合には、ＡＤＣと、ＤＳＰ／ＣＰＵ部と、ＤＡＣとで構成されることについては、図６（Ｃ）、図９を用いて上述した通りである。この場合、ＡＤＣ、ＤＡＣについては、例えば、遂次変換型の高速変換可能なものを用いることによって、適切なタイミングでノイズ低減信号を生成し、ノイズの低減を実現することが可能である。

しかし、遂次変換型の高速変換可能なＡＤＣ、ＤＡＣは、高価なものであり、ＦＢフィルタ回路１２、ＦＦフィルタ回路２２のコストアップを招いてしまう。そこで、従来から用いられているいわゆるシグマ・デルタ（Σ・Δ）方式のＡＤＣやＤＡＣを用いた場合であっても、大きな遅延を生じさせることなく、適切なタイミングでノイズ低減信号を生成できるようにする技術について説明する。なお、以下においては説明を簡単にするため、ＦＢフィルタ回路１２に当該技術を提供する場合を例にして説明するが、ＦＦフィルタ回路２２に対しても同様に適用することができるものである。

図１５は、ＦＢフィルタ回路１２の構成、特に、ＡＤＣ１２１とＤＡＣ１２３との構成について説明するためのブロック図である。図６（Ｃ）にも示し、また、図１５（Ａ）にも示すように、ＦＢフィルタ回路１２は、ＡＤＣ１２１と、ＤＳＰ／ＣＰＵ部１２２と、ＤＡＣ１２３とかなっている。そして、図１５（Ｂ）に示すように、ＡＤＣ１２１は、非エリアシングフィルタ１２１１と、シグマ・デルタ（Σ・Δ）ＡＤＣ部１２１２と、間引きフィルタ１２１３とからなり、ＤＡＣ１２３は、補間フィルタ１２３１と、シグマ・デルタ（Σ・Δ）ＤＡＣ部１２３２と、低域通過フィルタ１２３３とからなっている。

一般的に、ＡＤＣ１２１、ＤＡＣ１２３はともにオーバーサンプリング手法、及び、１ｂｉｔ（ビット）信号を用いるシグマ・デルタ変調が使われることが多い。例えば、図１５（Ｂ）に示したように、アナログ入力を、ＤＳＰ／ＣＰＵ部１２２でデジタル信号処理する場合には、１Ｆｓ／Ｍｕｌｔｉ ｂｉｔ（多くは16bit〜24bit）に変換するが、Σ・Δ方式では通常サンプリング周波数Ｆｓ［Ｈｚ］をＭ倍のＭＦｓ［Ｈｚ］まで持っていって、オーバーサンプリング（Over Sampling）処理することが多い。

図１５（Ｂ）に示したように、ＡＤＣ１２１の入り口に設置された非エリアシング（Anti-Aliasing）フィルタ１２１１及び、ＤＡＣ１２３の出口部に設置された低域通過（Low-Pass）フィルタ１２３３で、各サンプリング周波数Ｆｓの１／２（２分の１）を超える帯域の信号が入出力されないようになっている。しかし、実際に、これらはいずれもアナログで構成されるため、Ｆｓ／２（２分のＦｓ）近辺では急峻な減衰特性を得ることは困難である。

つまり、図１５（Ｂ）において、ＡＤＣ側に間引き（Decimation）フィルタ１２１３が内包され、ＤＡＣ側に補間（Interpolation）フィルタ１２３１が内包され、これらのフィルタが用いられて、間引き処理や補間処理（補間内挿処理）をしており、同時に各内部では、高次数で急峻なデジタルフィルタを使い帯域制限（ＬＰＦ）も掛けることで、アナログ信号を受け付ける非エリアシングフィルタ１２１１や、アナログ信号を出力する低域通過フィルタ１２３３の負担を減らしている。

さて、ＡＤＣ１２１、ＤＡＣ１２３で起こる遅延というのは、ほとんどが、この間引きフィルタ１２１３、及び、補間フィルタ１２３１内の高次デジタルフィルタで発生する。つまり、Ｆｓ／２近辺で急峻な特性を得るために、ＭＦｓ［Ｈｚ］のサンプリング周波数を持つ領域で次数の高いフィルタ（ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタの場合、タップ数の長いフィルタ）を用いるため、結果、群遅延が発生することになる。

このデジタルフィルタ部においては、位相歪みによる時間波形の劣化の悪影響を避けるため、直線位相特性を持つＦＩＲフィルタが使われ、中でもＳＩＮＣ関数（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）による補間特性が実現できる移動平均フィルタをベースとしたものが好んで使われる傾向にある。なお、直線位相形のフィルタの場合を考えると、フィルタ長の半分の時間がおよそ遅延量となる。

ＦＩＲフィルタは当然ながら次数（タップ数）が多いほど急峻で、減衰効果の大きい特性を表現できる。次数が短いフィルタは、減衰量が十分でなく（漏れが多く）、エリアシングの影響が大きくなるため一般的にあまり使われない。しかし、このフィードバック方式のノイズキャンセリングシステムに使用する場合には、後述のような条件のＦＩＲフィルタの使用が可能となり結果、遅延時間を短くすることができる。

遅延時間が短くなれば、位相回転が減ることになり、結果、ＦＢフィルタ回路１２を設計し、図４を用いて説明したような総合的なオープンループ特性を作る際、特性が０ｄＢ以上となる帯域を広げることができ、ノイズキャンセリング機構において、帯域及びその減衰特性において、大きな効果を得る。加えてフィルタ作成時における自由度も増えることになることは容易に想定できる。

そこで、図１５（Ｂ）において、デジタルフィルタである間引きフィルタ１２１３、補間フィルタ１２３１を形成するＦＩＲフィルタについて、（１）サンプリング周波数をＦｓとして、およそ（Ｆｓ−４ｋＨｚ）〜（Ｆｓ＋４ｋＨｚ）程度に渡った帯域に対して−６０ｄＢ以上の減衰が確保されているものを用いるようにすればよい。

この場合、（２）可聴帯域の２倍以上（およそ４０ｋＨｚ）以上のサンプリング周波数Ｆｓを用いると共に、（３）変換方式として、シグマ・デルタ（Σ・Δ）方式を用いるものとする。また、（４）条件（１）で示した帯域以外の他の帯域に関するエリアシング漏れ成分を認めることで、変換処理装置内部の処理機構で発生する、デジタルフィルタの群遅延を1ｍｓ以下に抑えたものを用いるようにすればよい。

上述した（１）、（４）の条件を満足するＦＩＲフィルタを間引きフィルタ１２１３、補間フィルタ１２３１として用いると共に、サンプリング周波数Ｆｓについては（２）の条件を満足し、変換方式については（３）の条件を満足することにより、コストアップさせることなく、従来からのΣ・Δ方式のＡＤＣやＤＡＣを用いてデジタル化したＦＢフィルタ回路１２を構成することが可能となる。

なお、上述した（１）〜（４）の条件を満足することにより、大きな遅延を発生させないデジタルフィルタを形成できることの詳細な根拠については、この出願の発明者による他の出願である特願２００６−３０１２１１に詳細に説明されている。

［まとめ］
（１）．図８を用いて説明したノイズキャンセリングシステムのように、ヘッドホン筐体の内側及び外側の双方において、各々１つ以上のマイク機構を持ち、外側に設置されたマイクで収音された信号を特定のフィルタを通してヘッドホン筐体内側のドライバで再生することでヘッドホン内部に漏れ入るノイズを低減させ、同時に内側のマイクにて収音された信号を特定のフィルタを通して内側のドライバで再生することで、より帯域が広く、減衰効果量の大きなノイズ低減を行うシステムが構成できる。

（２）．図１２を用いて説明したノイズキャンセリングシステムのように、上記（１）について、内側マイクのフィルタリングされた信号、外側マイクのフィルタリングされた信号は、それぞれアナログ、もしくはデジタル手段にてミキシングすることで、ドライバを１つのみとすることができる。

（３）．図６（Ｃ）、図９、図１５を用いて説明したように、ＦＢフィルタ回路やＦＦフィルタ回路として実現されるフィルタの部分をＤＳＰまたはＣＰＵからなる演算装置にてデジタルフィルタリングを行うために、少なくとも１つ以上のＡＤＣ、および１つ以上のＤＡＣをシステム内に持つことで、デジタルフィルタの構成とすることができる。

（４）．図１３、図１４を用いて説明したノイズキャンセリングシステムのように、ヘッドホン筐体の内側のマイクと外側のマイクからの出力信号の双方がＡＤＣに入りデジタル処理するノイズ低減システムを構成している第１のモードと、外側・内側のどちらかのマイク信号の一方の入力を外部信号（音楽信号、通話信号）に切り換えて同一のＡＤＣに接続し、同時にＤＳＰ／ＣＰＵ部に対してノイズ低減プログラムからイコライザプログラムになるように指示する第２のモードとを備えたシステムを構成することができる。

この場合、第１のモードを用いた場合には、高品位な無音状態を形成することができ、第２のモードを用いた場合には、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分と、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分の一方のみを機能させて、ノイズの低減を図りながら外部ソースである入力音声を再生して聴取することができる。また、第１のモードと第２のモードとを設けることにより、ＡＤＣの数を抑制することができる。

［この発明による方法について］
また、図８を用いて説明したように、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステムを実現する部分と、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステムを実現する部分とを同時に機能させ、フィードバック方式でもフィードフォワード方式でも同時にノイズキャンセルさせるようにすることによって、この発明による第１の方法を実現できる。

また、図１２を用いて説明したように、ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２とにおいて、共通にＤＳＰ／ＣＰＵ３２２、ＤＡＣ３２３を用いるようにし、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２において、それぞれのノイズ低減信号を形成すると共に、形成したそれぞれのノイズ低減信号を合成することによって、１つのパワーアンプ３３、１つのドライバ３４を用いて、ノイズを効果的に低減させるようにするこの発明による第２の方法を実現できる。

また、ＦＢフィルタ回路１２やＦＦフィルタ回路２２を、ＡＤＣと、ＤＳＰ／ＣＰＵと、ＤＡＣとによって、アナログ／デジタル変換→ノイズ低減信号生成処理→デジタル／アナログ変換というように処理できるようにすることによって、この発明による第３の方法を実現することができる。

また、図１２に示したように、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２と、ＤＡＣ３２３とを、ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２とで共用するようにすることにより、すなわち、ＤＳＰ／ＣＰＵ３２２において、フィードバック方式のノイズ低減信号を形成すると共に、フィードフォワード方式のノイズ低減信号をも形成し、これを合成できるようにすることによって、この発明による第４の方法を実現することができる。

また、図１３、図１４に示したように、マイクで収音した音声と、入力音声Ｓとのどちらを処理するようにするかを切り換えるようにすることによって、この発明による第５の方法を実現することができる。

［その他］
なお、上述した実施の形態においては、主にマイクロホン１１１が第１の音声収音手段としての機能を実現し、ＦＢフィルタ回路１２が第１の信号処理手段としての機能を実現し、パワーアンプ１４が第１の増幅手段としての機能を実現し、スピーカ１５２を含むドライバ１５が第１の放音手段としての機能を実現することにより、フィードバック方式のノイズキャンセリングシステム部分を構成している。

また、主にマイクロホン２１１が第２の音声収音手段としての機能を実現し、ＦＦフィルタ回路２２が第２の信号処理手段としての機能を実現し、パワーアンプ２４が第２の増幅手段としての機能を実現し、スピーカ２５２を含むドライバ２５が第２の放音手段としての機能を実現することにより、フィードフォワード方式のノイズキャンセリングシステム部分を構成している。

また、ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２とが合成手段としての機能を実現している。擬態的には、図１２に示したように、ＦＢフィルタ回路１２とＦＦフィルタ回路２２との共用部分であるＤＳＰ／ＣＰＵが、フィードバック方式とフィードフォワード方式とのそれぞれのノイズ低減信号を形成する機能を有すると共に、その形成したそれぞれのノイズ低減信号を合成する機能をも実現している。

そして、図１２において、パワーアンプ３３が合成手段で合成された１つの信号を増幅する１つの増幅手段としての機能を実現し、ドライバ３４が当該１つの増幅手段で増幅された信号に応じた音声を放音するようにするための１つの放音手段としての機能を実現するものである。また、図１３のスイッチ回路３６と図１４のスイッチ回路３７とのそれぞれが、出力信号を切り換える切換手段としての機能を実現している。

また、上述した実施の形態においては、ＦＢフィルタ回路１２、ＦＦフィルタ回路２２は、いずれもデジタルフィルタの構成とされた場合を例にして説明したが、これに限るものではない。ＦＢフィルタ回路１２、ＦＦフィルタ回路２２をアナログフィルタの構成した場合であっても、同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態においては、外部ソースとして入力音声Ｓを受け付けることができるものとして説明したが、必ずしも外部ソースを受け付ける機能を備えたもので出なくてもよい。すなわち、音楽などの外部ソースを聴取する必要はなく、騒音だけを低減できるようにする騒音低減システムとして構成することも可能である。

また、上述した実施の形態においては、説明を簡単にするためにヘッドホンシステムに適用した場合を例にして説明したが、ヘッドホン本体内にすべてのシステムが実装されている必要はない。例えば、ＦＢフィルタ回路、ＦＦフィルタ回路、パワーアンプ等の処理機構が外部にボックスとして分割されていたり、あるいは、他の機器と組み合わせて構成したりすることも可能である。ここで、他の機器とは、例えばポータブルオーディオプレイヤーや、電話機器、ネットワーク音声通信機器、など、音声・音楽信号を再生可能な多種のハードウェアが考えられる。

特に、携帯電話端末と、これに接続するヘッドセットとに、この発明を適用することにより、例えば、外出先の騒音の非常に多い環境下においても、騒音を低減し、良好に通話できるようにすることが可能になる。この場合、ＦＦフィルタ回路、ＦＢフィルタ回路、ドライブ回路等を携帯電話端末側に設けるようにすることによって、ヘッドセット側の構成を簡単にすることができる。もちろん全ての構成をヘッドセット側に設け、携帯電話端末からの音声の供給を受けることができるように構成することもできる。

１１…マイク及びマイクアンプ部、１１１…マイク、１１２…マイクアンプ、１２…Ｆ
Ｂフィルタ回路、１２１…ＡＤＣ、１２２…ＤＳＰ／ＣＰＵ、１２３…ＤＡＣ、１３…合
成部、１４…パワーアンプ、１５…ドライバ、１５１…ドライブ回路、１５２…スピーカ
、１６…イコライザ、ＣＰ…キャンセルポイント、Ｓ…入力音声、Ｐ…出力音声、２１…
マイク及びマイクアンプ部、２１１…マイク、２１２…マイクアンプ、２２…ＦＦフィル
タ回路、２２１…ＡＤＣ、２２２…ＤＳＰ／ＣＰＵ、２２３…ＤＡＣ、２３…合成部、２
４…パワーアンプ、２５…ドライバ、２５１…ドライブ回路、２５２…スピーカ

Claims (13)

1. ユーザの耳部に装着される筐体の内部に設けられた第１の音声集音手段で収集された当該筐体の内部に漏れ込んでくる第１のノイズ信号が入力され、前記第１のノイズ信号から所定のキャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第１のノイズ低減信号を形成する第１の信号処理手段と、
   ユーザの耳部に装着される前記筐体の外部に設けられた第２の音声集音手段で収集されたノイズ源からの第２のノイズ信号とが入力され、前記第２のノイズ信号から前記キャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第２のノイズ低減信号を形成する第２の信号処理手段と、
   音声信号に対し、前記第１のノイズ低減信号と前記第２のノイズ低減信号の少なくとも一方を合成する信号合成を行う合成手段と、
   前記合成手段で合成された信号を増幅処理する増幅手段と、
   前記増幅手段からの合成された信号を出力する出力手段と、
   を備えたノイズキャンセリング装置。
2. 前記第１の信号処理手段と、前記第２の信号処理手段とは、
   入力されたノイズ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換手段と、
   前記アナログ／デジタル変換手段からのデジタル信号とされたノイズ信号の供給を受けて、演算によりノイズ低減信号を形成する演算処理手段と、
   前記演算処理手段により形成されたデジタル信号であるノイズ低減信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換手段と
   からなるデジタルフィルタ回路の構成としたものである請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
3. 前記第１の信号処理手段と前記第２の信号処理手段とにおいて、前記演算処理手段と、前記デジタル／アナログ変換手段とを共通に用いる請求項２に記載のノイズキャンセリング装置。
4. 前記第１のノイズ信号を前記第１の信号処理手段に供給するか、前記音声信号を前記第１の信号処理手段に供給するかを切り換える切換手段を備え、
   前記切換手段が、前記音声信号を前記第１の信号処理手段に供給するように切り換えられた場合には、前記第１の信号処理手段は、前記音声信号を処理する入力回路として機能する請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
5. 前記第２のノイズ信号を前記第２の信号処理手段に供給するか、前記音声信号を前記第２の信号処理手段に供給するかを切り換える切換手段を備え、
   前記切換手段が、前記音声信号を前記第２の信号処理手段に供給するように切り換えられた場合には、前記第２の信号処理手段は、前記音声信号を処理する入力回路として機能する請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
6. 前記第１の信号処理手段と、前記第２の信号処理手段と、前記合成手段は、
   前記第１のノイズ信号をデジタル信号に変換する第１のアナログ／デジタル変換手段と、
   前記第２のノイズ信号をデジタル信号に変換する第２のアナログ／デジタル変換手段と、
   前記音声信号をデジタル信号に変換する第３のアナログ／デジタル変換手段と、
   前記第１及び第２のアナログ／デジタル変換手段からのデジタル信号とされた前記第１，第２のノイズ信号の供給を受けて、デジタルフィルタ演算により前記第１，第２のノイズ低減信号を形成するとともに、該第１，第２のノイズ低減信号と、前記第３のアナログ／デジタル変換手段からのデジタル信号とされた前記音声信号とを用いた信号合成を行う演算処理手段と、
   前記演算処理手段で合成されたデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル／アナログ変換手段と、
   により形成される請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
7. 前記合成手段は、前記信号合成として、前記音声信号と、前記第１のノイズ低減信号と、前記第２のノイズ低減信号とを合成する請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
8. 前記合成手段は、前記音声信号と前記第１のノイズ低減信号とを合成する信号合成と、前記第１のノイズ低減信号と前記第２のノイズ低減信号とを合成する信号合成とを、選択的に行う請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
9. 前記合成手段は、前記音声信号と前記第２のノイズ低減信号とを合成する信号合成と、前記第１のノイズ低減信号と前記第２のノイズ低減信号とを合成する信号合成とを、選択的に行う請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
10. イコライザを備え、
    前記音声信号は、前記イコライザで調整処理されて、前記合成手段に供給される請求項１に記載のノイズキャンセリング装置。
11. 前記第１，第２のアナログ／デジタル変換手段、及び前記デジタル／アナログ変換手段は、変換方式としてΣ・Δ方式を用いている請求項６に記載のノイズキャンセリング装置。
12. 前記演算処理手段では、ＦＩＲフィルタ演算処理により、前記第１，第２のノイズ低減信号を形成する請求項６に記載のノイズキャンセリングシステム。
13. ユーザの耳部に装着される筐体の内部に設けられた第１の音声集音手段で収集された当該筐体の内部に漏れ込んでくる第１のノイズ信号から、所定のキャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第１のノイズ低減信号を形成する第１の信号処理ステップと、
    ユーザの耳部に装着される前記筐体の外部に設けられた第２の音声集音手段で収集されたノイズ源からの第２のノイズ信号から、前記キャンセルポイントにおいてのノイズを低減させるための第２のノイズ低減信号を形成する第２の信号処理ステップと、
    音声信号に対し、前記第１のノイズ低減信号と前記第２のノイズ低減信号の少なくとも一方を合成する信号合成を行う合成ステップと、
    前記合成ステップで合成された信号を増幅処理する増幅ステップと、
    前記増幅ステップで合成された信号を出力する出力ステップと、
    を備えたノイズキャンセリング方法。

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