JP5696427B2 - ヘッドフォン装置 - Google Patents

Description

この発明は、ヘッドフォン装置に関し、特に、複数のスピーカユニットからなるスピーカアレイを備えるヘッドフォン装置に関する。

従来、音場再現手法として、様々な研究が行われてきた。スピーカ再生については、５．１ｃｈ、７．１ｃｈといったサラウンド再生が一般的に提唱され、製品化もされている。この手法の利点は、前面のみではなく、リア・サラウンドと呼ばれるスピーカを使用し、背面や環境音をリアルに再現できることにある。

しかし、このサラウンド再生にあっては、設置中央のサービスエリアが最も良い音場再現ポイントであり、再生理想位置が限られるという、受聴位置に関する問題がある。また、このサラウンド再生にあっては、実際の家庭では背後にスピーカを配置することが困難であるという、スピーカ設置に関する問題がある。

スピーカ設置に関する問題への対策として、トランスオーラル手法を用いたフロントサラウンドがある。このフロントサラウンドにあっては、前面スピーカのみを用い、頭部伝達関数を用いて、バーチャルサラウンドを楽しむことが可能である。この手法の利点は、スピーカ設置が容易であり、システムが簡易であるという点がある。一方で、頭部伝達関数を用いているため、個人による効果のばらつきがあるという問題がある。また、この手法にあっても、再生理想位置が限られるという、受聴位置に関する問題がある。

受聴位置に関する問題への対策として、波面合成を用いた音場再現手法もある（非特許文献１）。この手法は、スピーカアレイを構成し、音源を含まない閉曲面状の音圧と、法線方向の粒子速度を完全に制御できれば、閉曲面内の音場を完全に制御できるという手法である。この波面合成を用いた音場再現手法を用いれば、この閉曲面内の音場は完全に再現され、受聴位置の自由度も増す。

例えば、特許文献１には、スピーカアレイの複数のスピーカが受聴者の頭全体を覆う構成とされ、高臨場感を再現できる３次元音場再生装置が記載されている。しかし、この３次元音場再生装置にあっては、多数のスピーカを使用し、アレイを構成する必要があるため、大規模になるという問題がある。また、スピーカアレイを用いる場合、空間エイリアシングの問題により、再現される周波数帯域が、スピーカ間隔により制限されるという問題がある。

スピーカ再生の一方で、ヘッドフォン再生の分野では、頭部伝達関数を用いたバーチャルサラウンドがある。このバーチャルサラウンドを用いると、手軽なヘッドフォン装置で、理想的な音場を楽しむことができ、受聴位置の問題も起きない。

特開２００８−１１８５５９号公報

早稲田大学理工学総合研究センター、音響情報処理研究室、山崎芳男、"Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ積分方程式に基づく３次元バーチャルリアリティに関する研究"、［online］、平成９年４月、［平成２２年１０月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http:www.acoust.rise.waseda.ac.jp/publications/happyou/1997-h9.html＞

しかし、上述したように、ヘッドフォン再生の分野における頭部伝達関数を用いたバーチャルサラウンドにあっては、外耳道入り口付近の音圧を“点”で再現するため、個人の耳介の影響を考慮することができず、個人によっては理想的な効果が得られないという問題がある。また、一般的に、ヘッドフォンは耳をふさぐ形状であるため、バーチャルサラウンドにて、頭外感を得ることができても、外部の音を聞き取ることができないという問題もある。

この発明の目的は、バーチャル音場再現において個人差による影響が発生しにくく、また、外界の音を自然に受聴可能なヘッドフォン装置を提供することにある。

この発明の概念は、
波面合成法により、耳介近傍であって耳介面と略平行な閉曲面内の音場を再現することが可能に構成されたスピーカアレイを有し、
上記スピーカアレイは、上記耳介面に対して法線方向に開空間を持ち、かつ、上記音場の再現面である上記閉曲面の周縁を取り囲むように配置された複数のスピーカユニットからなる
ヘッドフォン装置にある。

この発明においては、スピーカアレイを有している。このスピーカアレイは、耳介を取り囲むように配置される複数のスピーカユニットからなっている。そして、このスピーカアレイにより、波面合成法により、耳介近傍の閉曲面内の音場が再現される。この場合、スピーカアレイの複数のスピーカユニットには、耳介近傍の閉曲面内の音場を再現するための音をそれぞれ放射させるための音圧信号が駆動信号として供給される。

このように、この発明においては、スピーカアレイで、波面合成法により、耳介近傍の閉曲面内の音場が再現されるものであり、反射や回折効果は個人個人の耳で発生するため、個人差による影響が発生しにくくなる。また、この発明においては、スピーカアレイは、耳介を取り囲むように配置される複数のスピーカユニットからなるものであり、受聴者の耳をふさぐ形状ではなく、外界の音を自然に受聴することが可能となる。

この発明において、例えば、スピーカアレイの複数のスピーカユニットは、閉曲面に向けて内側に傾斜して配設されてもよい。これにより、閉曲面内において、上下、左右等の各方向の粒子の伝搬速度を良好に再現できる。例えば、耳介を挿入可能な開口部を有するドーナツ形状のイヤーパッドをさらに有し、スピーカアレイの複数のスピーカユニットは、イヤーパッドの受聴者当接側とは反対側の円形端部に沿って配設される。

また、この発明において、例えば、再生最大周波数をｆmax［Ｈｚ］とし、音速をｃ［ｍ／ｓ］とするとき、スピーカアレイの複数のスピーカユニットの間隔Δｄ［ｍ］は、Δｄ＜ｃ／（２・ｆmax）の式を満たすようにされる。これにより、空間エイリアシングの影響を受けることなく、再生最大周波数ｆmax［Ｈｚ］までの周波数帯域の再生が可能となる。

この発明によれば、バーチャル音場再現において個人差による影響が発生しにくく、また、外界の音を自然に受聴可能となる。すなわち、スピーカアレイで、波面合成法により、耳介近傍の閉曲面内の音場が再現されるものであり、反射や回折効果は個人個人の耳で発生するため、個人差による影響が発生しにくくなる。また、スピーカアレイは、耳介を取り囲むように配置される複数のスピーカユニットからなるものであり、受聴者の耳をふさぐ形状ではなく、外界の音を自然に受聴することが可能となる。

この発明の実施の形態としてのヘッドフォン装置の構成例を示す図である。 ヘッドフォン本体が有するスピーカアレイにより音場が再現される閉曲面の一例を示す図である。 ヘッドフォン本体が有するスピーカアレイの複数のスピーカユニットが音場を再現する閉曲面に向けて内側に傾斜して配設されることを説明するための図である。 スピーカアレイの複数のスピーカユニットがイヤーパッドの、受聴者当接側とは反対側の円形端部に沿って配設されることを説明するための図である。 ヘッドフォン本体が有するスピーカアレイの複数のスピーカユニットの配設間隔を説明するための図である。 ヘッドフォン本体が有するスピーカアレイの各スピーカユニットに音圧信号を供給する回路構成例を示しブロック図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明を以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例

＜１．実施の形態＞
［ヘッドフォン装置の構成例］
図１（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態としてのヘッドフォン装置１００の構成例を示している。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。このヘッドフォン装置１００は、ヘッドバンド１１０の左右の先端部に、左側ヘッドフォン本体１２０Ｌおよび右側ヘッドフォン本体１２０Ｒが連結された構成となっている。

左側ヘッドフォン本体１２０Ｌは、スピーカアレイ１３０を有している。このスピーカアレイ１３０は、受聴者の耳介（左側）を取り囲むように配置された複数のスピーカユニット１３１からなっている。この左側ヘッドフォン本体１２０Ｌが有するスピーカアレイ１３０は、波面合成法により、図１（ｂ）に示す耳介（左側）近傍の閉曲面１４０Ｌ内の音場を再現する。左側ヘッドフォン本体１２０Ｌが有するスピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１には、この閉曲面１４０Ｌ内の音場を再現し得るように、それぞれの位置における音を放射させるための音圧信号が駆動信号として供給される。

右側ヘッドフォン本体１２０Ｒも、スピーカアレイ１３０を有している。このスピーカアレイ１３０は、受聴者の耳介（右側）を取り囲むように配置された複数のスピーカユニット１３１からなっている。この右側ヘッドフォン本体１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０は、波面合成法により、図１（ｂ）に示す耳介（右側）近傍の閉曲面１４０Ｒ内の音場を再現する。右側ヘッドフォン本体１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１には、この閉曲面１４０Ｒ内の音場を再現し得るように、それぞれの位置における音を放射させるための音圧信号が駆動信号として供給される。

なお、波面合成法に関しては、詳細説明は省略するが、例えば、「山崎芳男、“Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ積分方程式に基づく３次元バーチャルリアリティに関する研究”」に示されように、キルヒホッフ（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ）の積分公式を用いる方法等がある。この方法では、閉曲面ＳをＮ個の点で離散化し、閉曲面Ｓ上のＮ点の音圧Ｐ（ｒｊ）および粒子速度ｕｎ（ｒｊ）を再現することによって、閉曲面Ｓ内の音場を再現する。この実施の形態において、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０の各スピーカユニット１３１に供給される音圧信号は、このような波面合成法に基づいて、生成されたものである。

図２（ａ）は、左側ヘッドフォン本体１２０Ｌが有するスピーカアレイ１３０により音場が再現される閉曲面１４０Ｌの一例を示している。この閉曲面１４０Ｌは、人間（受聴者）の側頭部から見て、外耳道を中心に直径８〜１０ｃｍの狭い領域とされる。図２（ｂ）は、ヘッドフォン１００を装着した場合における左側ヘッドフォン本体１２０Ｌと閉曲面１４０Ｌとの位置関係を表している。なお、詳細説明は省略するが、右側ヘッドフォン本体１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０により音場が再現される閉曲面１４０Ｒに関しても同様に、外耳道を中心に直径８〜１０ｃｍの狭い領域とされる。

ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１は、図３示すように、音場を再現すべき閉曲面１４０Ｌ，１４０Ｒに向けて、内側に傾斜して配設される。すなわち、各スピーカユニット１３１の中心軸Ｓは、スピーカアレイ１３０の中心軸Ｚに対して傾斜したものとされる。このように、スピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１が傾斜して配設されることで、閉曲面１４０Ｌ，１４０Ｒ内において、上下、左右などの各方向の粒子の伝搬速度を良好に再現することが可能となる。

上述の図１においては、図示を省略しているが、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒは、耳介を挿入可能な開口部を有するドーナツ形状のイヤーパッド１５０を有している。上述したスピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１は、図４に示すように、イヤーパッド１５０の、受聴者当接側とは反対側の円形端部１５０ａに沿って配設されている。

ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０の複数のスピーカユニット１３１は、図５に示すように、Δｄ［ｍ］の間隔を持って配設される。この間隔Δｄ［ｍ］は、再生最大周波数をｆmax［Ｈｚ］とするとき以下の（１）式を満たすようにされる。ただし、ｃは音速（約３４０ｍ／ｓ）である。これにより、空間エイリアシングの影響を受けることなく、再生最大周波数ｆmax［Ｈｚ］までの周波数帯域の再生が可能となる。
Δｄ＜ｃ／（２・ｆmax） ・・・（１）

波面合成システムでは一般的に、空間エイリアシングが問題になる。空間サンプリングの概念から、音速を間隔の２倍で割った値の周波数でエイリアシングが起き、再生可能な境界周波数が決まる。例えば、５ｃｍ間隔で配置すると、約３．４ｋＨｚが空間エイリアシングの周波数になる。これは、人間の可聴帯域２０ｋＨｚと比べ極めて低い周波数である。空間エイリアシング周波数ｆalias［Ｈｚ］は、以下の（２）式で表される。
ｆalias＝ｃ／（２・Δｄ） ・・・（２）

間隔を狭くすると周波数の上限は上がるが、それはスピーカユニット１３１から放射される音圧も下がることを意味し、空間エイリアシングと音圧とトレードオフの関係があり、広い部屋の音場再現等では難しい。しかし、ヘッドフォン装置１００では、スピーカアレイ１３０が耳介近傍にあることから、小型のスピーカユニット１３１でも、十分な音圧を受聴者に提示することが可能である。例えば、８ｍｍ超小型スピーカユニットを用いると、Δｄ＝０．００８ｍとなることから、（２）式より、空間エイリアシング周波数ｆaliasは２０ｋＨｚ以上となり、十分な音場再現が可能である。

図６は、ヘッドフォン本体１２０（１２０Ｌ，１２０Ｒ）の回路構成例を示している。ヘッドフォン本体１２０には、音圧信号出力部１６０からスピーカアレイ１３０の各スピーカユニット１３１に対応した音圧信号が供給される。この音圧信号は、上述したように、波面合成法に基づいて、生成されたものである。例えば、この音圧信号は、各スピーカユニット位置に配置されたマイクロホンで集音することで得ることができる。また、例えば、この音圧信号は、５．１ｃｈ、７．１ｃｈ等のマルチチャネル信号に変換処理を施すことで得ることができる。

ヘッドフォン本体１２０は、スピーカアレイ１３０と共に、デジタルフィルタ部１２１、Ｄ／Ａ変換器１２２およびアンプ回路１２３を有している。音圧信号出力部１６０からの各スピーカユニット１３１に対応した音圧信号は、デジタルフィルタ部１２１でフィルタ処理をされた後に、Ｄ／Ａ変換器１２２およびアンプ回路１２３を介して、スピーカアレイ１３０に供給される。

例えば、デジタルフィルタ部１２１におけるフィルタ処理は、領域制御のためのフィルタ処理とされる。この場合、スピーカアレイ１３０の各スピーカユニット１３１から放射される音が、スピーカユニット１３１の位置より少し内側の位置の音となるようにされ、空間エイリアシングの影響を受けにくくすることが行われる。また、例えば、デジタルフィルタ部１２１におけるフィルタ処理は、各スピーカユニット１３１の特性を補正するためのフィルタ処理とされる。

上述したように、図１に示すヘッドフォン装置１００においては、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０で、波面合成法により、耳介近傍の閉曲面１４０Ｌ，１４０Ｒ内の音場が再現される。したがって、反射や回折効果は個人個人の耳で発生するため、バーチャル音場再現において個人差による影響が発生しにくくなる。つまり、スピーカ再生と比べ、ヘッドフォン型という簡易的なシステム構成で、個人差を解消することができる。

また、図１に示すヘッドフォン装置１００においては、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０は、耳介を取り囲むように配置される複数のスピーカユニット１３１からなっている。したがって、受聴者の耳をふさぐ形状ではなく、外界の音を自然に受聴できる。これにより、従来のヘッドフォン装置ではできなかった、バーチャル音場と、実世界の音場とを組み合わせた効果も可能となり、ヘッドフォン装置をつけながらも、２者での自然な会話も可能となる。

＜２．変形例＞
なお、上述実施の形態においては、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０は、複数のスピーカユニット１３１が円形に配置されたものを示した。しかし、配置形状は必ずしも円形でなくてもよく、楕円形、あるいは方形、さらにはその他の配置形状であってもよい。要は、耳介を取り囲むように配置されていればよい。また、上述実施の形態においては、ヘッドフォン本体１２０Ｌ，１２０Ｒが有するスピーカアレイ１３０は、複数のスピーカユニット１３１が一重の円形に配置されたものを示したが、２重、３重に配置する構成も考えられる。

１００・・・ヘッドフォン装置
１１０・・・ヘッドバンド
１２０・・・ヘッドフォン本体
１２０Ｌ・・・左側ヘッドフォン本体
１２０Ｒ・・・右側ヘッドフォン本体
１２１・・・デジタルフィルタ部
１２２・・・Ｄ／Ａ変換器
１２３・・・アンプ回路
１３０・・・スピーカアレイ
１３１・・・スピーカユニット
１４０Ｌ，１４０Ｒ・・・閉曲面
１５０・・・イヤーパッド
１５０ａ・・・円形端部
１６０・・・音圧信号出力部

Claims (4)

1. 波面合成法により、耳介近傍であって耳介面と略平行な閉曲面内の音場を再現することが可能に構成されたスピーカアレイを有し、
   上記スピーカアレイは、上記耳介面に対して法線方向に開空間を持ち、かつ、上記音場の再現面である上記閉曲面の周縁を取り囲むように配置された複数のスピーカユニットからなる
   ヘッドフォン装置。
2. 上記スピーカアレイの複数のスピーカユニットは、上記閉曲面に向けて内側に傾斜して配設され、
   上記スピーカアレイの複数のスピーカユニットは、上記閉曲面内において上下左右の各方向の粒子の伝搬速度を再現する
   請求項１に記載のヘッドフォン装置。
3. 上記耳介を挿入可能な開口部を有するドーナツ形状のイヤーパッドをさらに有し、
   上記スピーカアレイの複数のスピーカユニットは、上記イヤーパッドの受聴者当接側とは反対側の円形端部に沿って配設される
   請求項２に記載のヘッドフォン装置。
4. 再生最大周波数をｆmax［Ｈｚ］とし、音速をｃ［ｍ／ｓ］とするとき、上記スピーカアレイの複数のスピーカユニットの間隔Δｄ［ｍ］は、
   Δｄ＜ｃ／（２・ｆmax）
   の式を満たす
   請求項１に記載のヘッドフォン装置。