JP6574835B2 - 自動較正ノイズキャンセリングヘッドホン - Google Patents

Description

１つまたは複数の実施形態は、一般に、アクティブノイズキャンセレーションヘッドホン及び自動較正ノイズキャンセリングヘッドホンに関する。

継続的に進む電子機器の小型化は、ヘッドホンを介して音声をリスナに届ける携帯型音声機器の多様性をもたらしている。また、電子回路を小型化することにより、高品質のサウンドを生み出すヘッドホンは、ますます小さくなってきている。現在、一部のヘッドホンは、外部サウンドデータを得るためのマイクロホンと、ユーザの環境で生成される外部サウンドを低減させる、または打ち消すためのコントローラとを含むノイズキャンセレーションシステムを含んでいる。

１つの実施形態においては、内部に形成される開口を含む筐体と、開口の中に配設され、筐体によって支持されるトランスデューサとを備えるヘッドホンが提供される。このヘッドホンはまた、筐体に連結されトランスデューサにわたって配設されて、トランスデューサによって放射されるサウンド、及びノイズを受け取るマイクロホンのアレイも含む。

別の実施形態においては、トランスデューサと、少なくとも１つのマイクロホンとを含むヘッドホンを備えるサウンドシステムが提供される。このサウンドシステムはまた、等化フィルタと、ループフィルタ回路とを含む。等化フィルタは、少なくとも１つの所定の係数に基づいて、音声入力信号を等化するように適合されている。ループフィルタ回路は、等化された音声入力信号、及び少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られたサウンドを示すフィードバック信号に基づいて、フィルタ処理された音声信号を生成するように、ならびにフィルタ処理された音声信号をトランスデューサに供給するように適合されている漏洩積算器回路を含む。

さらなる別の実施形態においては、ヘッドホン内でアクティブノイズキャンセレーション制御システムを自動的に較正するようにプログラミングされている非一時的コンピュータ可読媒体に実装されたコンピュータプログラム製品が提供される。コンピュータプログラム製品は、試験信号を示す第１の音声入力信号を生成することと、等化フィルタ及びループフィルタを使用して、第１の音声入力信号をフィルタ処理することと、第１のフィルタ処理された音声信号をヘッドホンのトランスデューサに供給することとを行うための命令を含み、ここで、トランスデューサは、第１の音声信号に応答して、試験サウンドを放射するように適合されている。コンピュータプログラム製品は、ヘッドホンの少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られた試験サウンドの空間平均値を示す第１のフィードバック信号を受け取ることと、第１のフィードバック信号に基づいて、等化フィルタの係数を更新することとを行うための命令をさらに含む。

したがって、サウンドシステムは、ヘッドホンの知覚された音響出力を直接、近似するマイクロホン信号を生成することによって、既存のＡＮＣサウンドシステムに対する利点を提供する。ヘッドホンは、各ヘッドホン内に少なくとも２つのマイクロホンのアレイを含むことによって、そのようなマイクロホン信号を生成し、その結果、２つのマイクロホンの空間平均値に基づくマイクロホン信号が生じる。さらには、トランスデューサは、可聴帯域全体を通じて、結果的に正確なピストン式運動をもたらす紙膜を含む。これらの特徴により、簡略化されたＡＮＣ制御システムが可能になる。たとえば、マイクロホン信号が、ヘッドホンの知覚された音響出力を直接、近似するので、ＡＮＣ制御システムは、二次経路をモデル化する、または推定するための二次リンクフィルタなど、フィルタ及びそれらの関連するソフトウェア／ハードウェアを解消する。さらには、ＡＮＣ制御システムは、耳腔及びクッションの中の残留反射を低減する、または解消することによって、平滑な応答を提供するために、特定のユーザに対応する等化フィルタの係数を自動的に較正するように構成されているコントローラを含む。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
内部に形成される開口を含む筐体と、
前記開口の中に配設され、前記筐体によって支持されるトランスデューサと、
前記筐体に連結され、前記トランスデューサにわたって配設されて、前記トランスデューサによって放射されるサウンド、及びノイズを受け取るマイクロホンのアレイと
を含む、ヘッドホン。
（項目２）
前記トランスデューサが、紙から形成される剛性膜、または他の適切な材料をさらに含む、項目１に記載のヘッドホン。
（項目３）
マイクロホンの前記アレイが、放射状に配置されており、並列に電気的に接続されている、少なくとも２つのマイクロホンを含む、項目１に記載のヘッドホン。
（項目４）
項目１に記載のヘッドホンと、
アクティブノイズキャンセリング（ＡＮＣ）制御システムであって、
音声入力信号を音声源から受け取り、
等化フィルタを使用して、前記音声入力信号を等化し、
前記等化された音声入力信号、及びマイクロホンの前記アレイによって受け取られたサウンドの空間平均値を示すフィードバック信号に基づいて、ループフィルタを使用して、フィルタ処理された音声信号を生成し、
前記フィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給する
ようにプログラミングされた、前記ＡＮＣ制御システムとを含む、サウンドシステム。
（項目５）
前記ＡＮＣ制御システムが、
試験信号を示す第２の音声入力信号を生成することと、
前記等化フィルタ及び前記ループフィルタを使用して、前記第２の音声入力信号をフィルタ処理することと、
前記第２のフィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給することであって、前記トランスデューサが、前記第２の音声信号に応答して、試験サウンドを放射するように適合されている、前記供給することと、
マイクロホンの前記アレイによって受け取られた前記試験サウンドの空間平均値を示す第２のフィードバック信号を受け取ることと、
前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの係数を更新することとを行うようにさらにプログラミングされている、項目４に記載のサウンドシステム。
（項目６）
前記ＡＮＣ制御システムが、前記トランスデューサとマイクロホンの前記アレイとの間のサウンド移動の二次経路を示す伝達関数を推定することなく、前記フィルタ処理された音声信号を生成するようにさらにプログラミングされている、項目４に記載のサウンドシステム。
（項目７）
トランスデューサ、及び少なくとも１つのマイクロホンを含むヘッドホンと、
少なくとも１つの所定の係数に基づいて、音声入力信号を等化するように適合された等化フィルタと、
前記等化された音声入力信号、及び前記少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られたサウンドを示すフィードバック信号に基づいて、フィルタ処理された音声信号を生成するように、ならびに前記フィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給するように適合された漏洩積算器回路を含むループフィルタ回路と
を含む、サウンドシステム。
（項目８）
前記少なくとも１つの所定の係数は、所定の目的関数が、前記ヘッドホンに対応した後、モデル化される、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目９）
コントローラ、及び
前記等化フィルタが音声源に接続されて、第１の音声入力信号を受け取る第１の位置と、前記等化フィルタが前記コントローラに接続されて、第２の音声入力信号を受け取る第２の位置との間で切り替わるように適合されたスイッチをさらに含み、
前記コントローラが、前記等化フィルタの前記少なくとも１つの係数を更新することによって、前記ヘッドホンを較正するようにプログラミングされている、
項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１０）
前記コントローラが、
前記第２の位置に配置されるよう前記スイッチを制御し、
試験信号を示す前記第２の音声入力信号を生成し、
前記少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られた試験サウンドを示す第２のフィードバック信号を受け取り、
前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの前記少なくとも１つの係数を更新し、
前記第１の位置に配置されるよう前記スイッチを制御する
ようにさらにプログラミングされている、項目９に記載のサウンドシステム。
（項目１１）
ゼロＤＣオフセットを提供するために、フィードバック経路において配置されるＤＣサーボをさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１２）
前記漏洩積算器回路が、並列に配置される演算増幅器及びフィードバック抵抗器／コンデンサ（ＲＣ）回路をさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１３）
前記ループフィルタ回路が、前記フィルタ処理された音声信号の中心周波数において利得を加えるように適合されているピークフィルタをさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１４）
前記ループフィルタ回路が、前記フィルタ処理された音声信号の高周波数範囲において高振幅ピークを抑制するように適合されているノッチフィルタをさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１５）
フィードフォワード経路に配置されるハイパスフィルタをさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１６）
前記少なくとも１つのマイクロホンが、２つのマイクロホンをさらに含み、前記フィードバック信号が、前記２つのマイクロホンによって受け取られたサウンドの空間平均値を示す、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１７）
前記トランスデューサが、紙から形成される膜をさらに含む、項目７に記載のサウンドシステム。
（項目１８）
ヘッドホン内でアクティブノイズキャンセレーション制御システムを自動的に較正するようにプログラミングされている非一時的コンピュータ可読媒体に実装されたコンピュータプログラム製品であって、
試験信号を示す第１の音声入力信号を生成することと、
等化フィルタ及びループフィルタを使用して、前記第１の音声入力信号をフィルタ処理することと、
前記第１のフィルタ処理された音声信号を前記ヘッドホンのトランスデューサに供給することであって、前記トランスデューサが、前記第１の音声信号に応答して、試験サウンドを放射するように適合されている、前記供給することと、
前記ヘッドホンの少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られた前記試験サウンドの空間平均値を示す第１のフィードバック信号を受け取ることと、
前記第１のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの係数を更新することとを行うための命令を含む、前記コンピュータプログラム製品。
（項目１９）
音声源から第２の音声入力信号を受け取ることと、
前記等化フィルタを使用して、前記第２の音声入力信号を等化することと、
前記等化された第２の音声入力信号、及び前記少なくとも１つのマイクロホンによって受け取られたサウンドの空間平均値を示す第２のフィードバック信号に基づいて、前記ループフィルタを使用して、第２のフィルタ処理された音声信号を生成することと、
前記第２のフィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給することと
を行うための命令をさらに含む、項目１８に記載のコンピュータプログラム製品。
（項目２０）
前記等化フィルタがコントローラに接続されて、前記第１の音声入力信号を受け取る第２の位置に配置されるようスイッチを制御することと、
前記スイッチが前記第２の位置に配置されたことに応答して、前記第２の音声入力信号を生成することと、
前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの前記係数を更新することと、
前記係数が更新されたことに応答して、前記等化フィルタが音声源に接続されて、第１の音声入力信号を受け取る第１の位置に配置されるよう前記スイッチを制御することとを行うための命令をさらに含む、項目１９に記載のコンピュータプログラム製品。

１つまたは複数の実施形態による、ヘッドホンに接続されたノイズキャンセリング制御システムを含み、ユーザに対するサウンド波を生成するサウンドシステムを示す概略図である。 従来技術のノイズキャンセリング制御システムの概略ブロック図である。 図２の制御システムの音響経路の周波数応答を示すグラフである。 １つまたは複数の実施形態による、図１のノイズキャンセリング制御システムの概略ブロック図である。 １つの実施形態による、図４の制御システムの一部分を実装する装置である。 図４の制御システムのループフィルタの開ループ周波数応答を示すグラフである。 耳パッドなしで示された、図１のヘッドホンのうちの１つの内側部分の側面図である。 耳パッドありで示され、試験プレートに取り付けられた図７のヘッドホン組立体の側面斜視図である。 第１のトランスデューサの周波数応答、及び第２のトランスデューサの周波数応答を示すグラフである。 試験装置を使用して測定された図４の制御システムの周波数応答、及び内部マイクロホンによって測定された図４の制御システムの周波数応答を示すグラフである。 図４の制御システムの開ループ周波数応答及び閉ループ周波数応答を示すボード線図である。 トランスデューサの開ループひずみと比較される、図４の制御システムの音響出力の閉ループひずみの周波数応答を示すグラフである。 さらなる別の実施形態による、図１のノイズキャンセリング制御システムの概略ブロック図である。 １つまたは複数の実施形態による、図１３のノイズキャンセリング制御システムを含むサウンドシステムを自動的に較正するための方法を示すフローチャートである。 図１３の制御システムの周波数応答を示すグラフである。 図１３の制御システムのインパルス応答を示すグラフである。

要求に応じて、本発明の詳細な実施形態が、本明細書に開示されるが、開示の実施形態は、単に、様々な及び代替の形態において具現化され得る本発明の例示にすぎないことを理解されたい。図は、必ずしも縮尺通りとは限らず、いくつかの特徴が、特定の構成要素の詳細を示すために、誇張されることも、または最小化されることもある。そのため、本明細書に開示される固有の構造上及び機能上の詳細は、限定としてではなく、単に、本発明を様々に採用する当業者に教示するための代表的な基礎と解釈すべきである。

図１に関しては、サウンドシステムが、１つまたは複数の実施形態により示され、全体的に数字１００によって参照される。サウンドシステム１００は、アクティブノイズキャンセリング（ＡＮＣ）制御システム１１０、及びヘッドホン組立体１１２を含む。制御システム１１０は、音声入力信号を音声源１１４から受け取り、音声出力信号をヘッドホン組立体１１２に供給する。ヘッドホン組立体１１２は、ヘッドホン１１６の対を含む。各ヘッドホン１１６は、ユーザの耳付近に位置決めされるトランスデューサ１１８、またはドライバを含む。トランスデューサ１１８は、音声出力信号を受け取り、可聴サウンドを生成する。各ヘッドホン１１６はまた、トランスデューサ１１８と耳との間に位置決めされる１つまたは複数のマイクロホン１２０も含む。

図２は、従来技術のＡＮＣ制御システム（第１の制御システム２１０）の概略ブロック図である。第１の制御システム２１０は、本明細書においてさらに詳細に説明されるハードウェア及び／またはソフトウェア制御論理部において実装され得る。第１の制御システム２１０は、音声入力信号（Ｖ）を音声源（たとえば、音声源１１４）から受け取り、フィルタ処理された音声信号（Ｖ_ｆｉｌｔ）を各ヘッドホンのトランスデューサ（たとえば、トランスデューサ１１８）に供給し、それは、トランスデューサからサウンドとして放射される。サウンドは、二次経路またはリンクに沿って、トランスデューサからヘッドホン内のマイクロホン（たとえば、マイクロホン１２０）に伝達され、伝達関数（Ｈ_ｓ）２２２によってモデル化される。マイクロホンは、トランスデューサから放射されるサウンド及びヘッドホン内のノイズ（Ｎ）を受け取って、それは加算ノード２２４によって表されており、さらにはマイクロホン出力信号（ＭＩＣ）を生成する。トランスデューサから放射されるサウンドの周波数応答及びＮは、ユーザの耳腔、及びヘッドホンとユーザの耳との間のクッションの形状によって修正され、それは、一次リンクフィルタ（Ｈ_ｐ）２２６によってモデル化される。ユーザに知覚されるヘッドホンの音響応答は、音声出力信号（Ｙ）によって表される。

第１の制御システム２１０は、予等化フィルタ（Ｈ_ｅ）２２８を含む。Ｈ_ｅフィルタ２２８は、音声入力信号（Ｖ）を、音響出力（Ｙ）が所定の目的関数を近似するようにフィルタ処理する。目的関数は、実験的に、または主観試験を用いて決定される。第１の制御システム２１０はまた、所定のデータに基づいて、二次リンクの推定値を提供するフィルタ
を含む。
フィルタ２３０は、トランスデューサの構造、ヘッドホンとユーザの頭部との間のクッション、及びユーザの耳腔の輪郭により、トランスデューサによって放射されるサウンドの伝達関数を推定する。

第１の制御システム２１０は、フィードバックＡＮＣ制御システムの一例である。マイクロホン出力信号（ＭＩＣ）は、フィードバック経路２３２において存在する。加算ノード２３４においては、第１の制御システム２１０は、
フィルタ２３０の出力とマイクロホン出力信号（ＭＩＣ）との差に基づいて、誤差信号（ｅ）を生成する。誤差信号（ｅ）は、利得２３６に、及びループフィルタ（Ｈ_ｌｏｏｐ）２３８に供給される。Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ２３８は、１００〜１５０Ｈｚの間であるそのピーク中心周波数で誤差信号（ｅ）に追加の利得を加え、誤差信号（ｅ）の十分な安定余裕を維持するように設計されている。

第１の制御システム２１０は、加算ノード２４０において、フィルタ処理された音声信号（Ｖ_ｆｉｌｔ）を生成する。等化された音声入力信号（Ｖ_ｅｑ）は、側鎖またはフィードフォワード経路２４２に沿って、加算ノード２４０に供給される。加算ノード２４０は、Ｖ_ｅｑをフィルタ処理された誤差信号と結合させて、Ｖ_ｆｉｌｔを決定する。上述のように、加算ノード２２４は、ノイズ信号（Ｎ）をＶ_ｆｉｌｔに加える。

第１の制御システム２１０についての伝達関数は、以下のように表現され得る。

図３は、音響経路Ｈ_ｓの周波数応答を示す「ヘッドホン１」とラベル付けされた曲線を含むグラフ３１０である。ヘッドホン１曲線は、数字３１２によって参照されるように、低周波数においては相対的に平滑であり、強いローパス特性を呈する。しかしながら、ヘッドホン１は、数字３１４によって参照されるように、中間周波数においては下向き勾配を示し、数字３１６によって参照されるように、（３ｋＨｚを上回る）高周波数においては幅広いノッチを示している。ヘッドホン１曲線によって示されている音響経路のこれらの特性は、マイクロホン配置、トランスデューサ品質、シール品質、及び耳クッション設計の結果である。

図４に関しては、第２のＡＮＣ制御システムの動作を示す概略ブロック図が、１つまたは複数の実施形態により示され、全体的に数字４１０によって参照される。サウンドシステム１００（図１に示す）は、１つの実施形態により、第２の制御システム４１０を含む。第２の制御システム４１０は、本明細書においてさらに詳細に説明されるハードウェア及び／またはソフトウェア制御論理部において実装され得る。第２の制御システム４１０は、音声入力信号（Ｖ）を音声源１１４（図１に示す）から受け取り、フィルタ処理された音声信号（Ｖ_ｆｉｌｔ）をヘッドホン１１６のトランスデューサ１１８に供給し、それは、トランスデューサ１１８からサウンドとして放射される。サウンドは、二次経路またはリンクに沿って、トランスデューサ１１８からマイクロホン１２０に伝達される。マイクロホン１２０は、トランスデューサ１１８から放射されるサウンド及びヘッドホン１１６内のノイズ（Ｎ）を受け取って、それは加算ノード４２４によって表されており、さらにはマイクロホン出力信号（ＭＩＣ）を生成する。ユーザに知覚されるヘッドホン１１６の音響応答は、音声出力信号（Ｙ）によって表される。

第２の制御システム４１０は、予等化フィルタ（Ｈ_ｅ）４２８を含む。Ｈ_ｅフィルタ４２８は、音声入力（Ｖ）を、音響出力（Ｙ）が所定の目的関数を近似するようにフィルタ処理し、等化された音声信号（Ｖ_ｅｑ）を生成する。目的関数は、１つまたは複数の実施形態により、Ｈｏｒｂａｃｈによる米国特許出願第１４／３１９，９３６号に記載の方法を用いて決定される。Ｈ_ｅフィルタ４２８は、１つまたは複数の実施形態により、一連の複数のバイクワッド等化フィルタ、またはＦＩＲフィルタとすることができる。

第２の制御システム４１０は、フィードバックＡＮＣ制御システムの一例である。マイクロホン出力信号（ＭＩＣ）は、フィードバック経路４３２において存在する。加算ノード４３４においては、第２の制御システム４１０は、等化された音声入力信号（Ｖ_ｅｑ）とマイクロホン出力信号（ＭＩＣ）との差に基づいて、誤差信号（ｅ）を生成する。

第２の制御システム４１０は、マイクロホン出力信号（ＭＩＣ）が、トランスデューサ１１８の知覚された音声出力（Ｙ）を直接、近似するように、音響的に設計されているヘッドホンについて構成されている。ＭＩＣはＹを近似するので、第２の制御システム４１０は、それが、二次リンクを推定するためのフィルタ（たとえば、
を含んでいないという点で、従来技術の第１の制御システム２１０（図２に示す）とは異なる。

第２の制御システム４１０は、帯域制限された制御ループとして構成され、この場合、音声入力信号（Ｖ）の低周波数部分は、主経路を通過し、音声入力信号（Ｖ）の高周波数部分は、「側鎖」またはフィードフォワード経路を経由して加えられる。

第２の制御システム４１０の主経路は、ループフィルタ（Ｈ_ｌｏｏｐ）４３８を含む。Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ４３８は、第２の制御システム４１０が、所定の帯域幅内での誤差信号の、すなわち、音声入力信号（Ｙ）とマイクロホン出力（ＭＩＣ）との間の何らかの偏差を抑制するように構成されている。Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ４３８はまた、高周波数信号を遮断する。

音声入力信号（Ｖ）の高周波数部分は、ハイパスフィルタ（Ｈ_ｈ）４４４を含む側鎖またはフィードフォワード経路４４２を経由して加えられる。Ｈ_ｈフィルタ４４４は、１つまたは複数の実施形態により、３〜８ｋＨｚを上回る周波数を有する信号を通すように構成されている第一次のフィルタ、すなわち高次のフィルタとすることができる。加算ノード４４０は、Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ４３８の出力をＨ_ｈフィルタ４４４の出力と結合させる。

第２の制御システム４１０についての伝達関数（Ｈ_ｈｐ）は、ブロック４４６によって参照され、以下のように表現され得る。

図４に示されるブロック図から導出され得る方程式２〜４は、信号伝達関数（Ｈ＝Ｙ／Ｖ）が、２つの部分Ｈ_ｌｏｗとＨ_ｈｉｇｈとに分割されることを示している。Ｈ_ｌｏｗは、（図６及び図１０に示されている）この周波数帯域における利得Ｈ_ｌｏｏｐ ^＊Ｈ_ｈｐが高いために、１ｋＨｚを下回る周波数においては近似的に１に等しく、したがって、フィードバックシステムによって厳重に制御される（方程式３）。応答（Ｈ）は、概して、ヘッドホンシールまたは個々の耳の形状とは無関係である。高周波数においては、（たとえば、ｆ＞１ｋＨｚ）ヘッドホン応答（Ｈ）は、ループ利得が小さいので（方程式４）、本質的に変化しない（すなわち、Ｈ_ｈｉｇｈ＝Ｈ）。

第２の制御システム４１０が、図２の従来技術の第１の制御システム２１０に対する利点を提供するのは、第１の制御システム２１０の誤差信号（ｅ）の正確度が、高い程度までＭＩＣ信号推定値の精密度によって決まるからである。そのため、推定フィルタ
は、生産中であっても繰り返し較正される。加えて、二次リンク（Ｈ_ｓ）２２８は、ヘッドホン１１６とユーザの頭部との間のシール量、及びユーザの耳腔の輪郭に応じて変動する。そのため、推定フィルタ
は、正確度が低い。

加えて、第１の制御システム２１０の加算ノード２３４、利得段２３６、及びループフィルタ２３８はすべて、別個の段であり、通常は、精密、低ノイズ、及び広帯域のハードウェア構成要素を使用して実装され、このことは、第１の制御システム２１０の費用を相当、増大させる。しかしながら、図５に関して後述するように、第２の制御システム４１０の類似部分は、より少ないハードウェア構成要素を使用して実装され得る。

図５は、１つまたは複数の実施形態により、第２の制御システム４１０のハードウェア実装態様を示す装置５００である。装置５００は、ループフィルタ回路５０６、側鎖５０８、及びＤＣサーボ制御経路５１０を含む。ループフィルタ回路５０６は、漏洩積算器回路５１４、ピークフィルタ５１６、及びノッチフィルタ５１８を含む。第２の制御システム４１０の加算ノード４３４及びＨ_ｌｏｏｐフィルタ４３８は、漏洩積算器回路５１４、ピークフィルタ５１６、及びノッチフィルタ５１８によって実装される。概して、漏洩積算器回路は、入力信号を受け取り、その信号を積算し、次いで、経時的に、少量の積算された信号を徐々に解放する、または「漏洩する」ように設計されている。

漏洩積算器回路５１４は、加算ノード４３４（図４に示す）を実装するための複数の抵抗器（Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３）を含む。Ｒ１は、Ｖ_ｅｑ経路に接続され、Ｒ２は、ＭＩＣ経路に接続され、Ｒ３は、ＤＣサーボ制御経路５１０に接続される。

ループフィルタ回路５０６は、Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ４３８（図４に示す）を実装するための、演算増幅器５１２、漏洩積算器回路５１４、ピークフィルタ５１６、及びノッチフィルタ５１８を含む。漏洩積算器回路５１４は、例示の実施形態に示されているように、フィードバック抵抗器／コンデンサ（ＲＣ）回路として実装され得る。ピークフィルタ５１６は、低周波数信号をフィルタ処理する。１つの実施形態においては、ピークフィルタ５１６は、１００〜３００Ｈｚの間の信号を増幅させるように設計されている。ノッチフィルタ５１８は、高周波数信号をフィルタ処理する。１つの実施形態においては、ノッチフィルタ５１８は、６〜１０ｋＨｚの間の信号を減衰させるように設計されている。各フィルタ５１６、５１８は、１つの実施形態においては、単一の演算増幅器（オペアンプ）として実装される。他の実施形態においては、ループフィルタ４３８は、たとえば、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ（図示せず）とともにデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用して、デジタル的に実装され得る。

側鎖５０８は、ハイパスフィルタ（Ｈ_ｈ）４４４（図４に示す）を実装するためのハイパスフィルタ５４４を含む。ハイパスフィルタ５４４は、単純な第一次の抵抗器／コンデンサ（ＲＣ）回路、高次のフィルタ、またはデジタルバイクワッドフィルタとすることができる。

ＤＣサーボ制御経路５１０は、ＤＣにおけるループ利得を１に低減させて、ヘッドホントランスデューサ出力においてゼロＤＣオフセットを確保するために、バッファリングされた第一次のローパスフィルタを含む。全経路は、低周波数における安定性を確保するために、マイクロホンを除いて、ＤＣカップリングされる。低パスフィルタは、時定数が１〜３秒とすることができる。

図６は、ループフィルタ回路５０６によって実装される、Ｈ_ｌｏｏｐフィルタ４３８の周波数応答を示す「Ｈ_ｌｏｏｐ」とラベル付けされた曲線を含むグラフ６１０である。ピークフィルタ５１６は、ノイズキャンセリング帯域（たとえば、２００Ｈｚ）の中心において追加の利得を加えて、ノイズ抑制を改善し、それは、数字６１２によって参照される。ノッチフィルタ５１８は、近似的に６〜１０ｋＨｚの周波数範囲におけるトランスデューサの高ピークを抑制することによって、ループ安定性を改善し、それは、数字６１４によって参照される。トランスデューサのそのような高ピークは、概して、膜破壊の結果であり、それは結果的に、１より大きい総ループ利得を招き、したがって、不安定性を生じさせることになり得る。

図７に関しては、サーカムオーラル型ヘッドホンが、１つまたは複数の実施形態により示され、全体的に数字７１６によって参照される。サウンドシステム１００（図１に示す）は、１つまたは複数の実施形態により、ヘッドホン７１６の対を含むヘッドホン組立体を含む。ヘッドホン７１６は、耳パッドなしで示されている。ヘッドホン７１６は、ヘッドホン内のノイズ及びひずみを減少させる特徴を含み、それは結果的に、第２の制御システム４１０に関して上述した、マイクロホン出力信号（ＭＩＣ）が、知覚された音声出力（Ｙ）を近似することをもたらす。ヘッドホン７１６は、トランスデューサ７１８、及び２つのマイクロホン７２０を含むマイクロホンアレイ７１９を含む。

ヘッドホン７１６は、例示の実施形態により、カップ形状で形成される筐体７２２を含む。筐体７２２は、内側面７２４を含み、開口７２６が、内側面７２４の中心部分に形成される。トランスデューサ７１８は、開口７２６内に配設され、筐体７２２によって支持される。トランスデューサ７１８は、ヘッドホン７１６から遠ざかるサウンドを放射するように適合されている。

マイクロホン７２０は、内側面７２４から、及び開口７２６にわたって延びる固定具７３２に取り付けられる。固定具７３２は、トランスデューサ７１８によって放射されるサウンドを歪曲しないように、音響的に透明であるように設計されている。マイクロホン７２０は、トランスデューサ７１８に長手方向に隣接して取り付けられ、トランスデューサ７１８の外側面から離間される。マイクロホン７２０は、トランスデューサ７１８の外側面に向かって方向付けられ、放射状配列で開口７２６の中央部分を中心にして互いとは角度的に離間される。加えて、マイクロホン７２０は、並列に電気的に接続され、そのことにより、空間的平均化、及びそれによって、知覚された周波数応答のより正確な表現がもたらされる。

トランスデューサ７１８は、可聴帯域全体を通じて、正確なピストン式運動を行うように適合されている。トランスデューサ７１８は、繊維強化紙、炭素、バイオセルロース、または陽極酸化アルミニウムもしくはチタニウム、あるいはベリリウムなどの剛性材料から形成された中心ドームを備えた小さいサラウンド及び膜コーン７３４を含む。

図８を参照すると、埋込み型のマイクロホンを含む測定プレート８１０が、（図示せず）ヘッドホン７１６の知覚された音声出力を測定するのに使用される。そのような測定プレートを含む試験装置の一例が、Ｈｏｒｂａｃｈによる米国特許出願第１４／３１９，９３６号に記載されている。

ヘッドホン７１６は、内側面７２４（図７に示す）の周縁部に固定されており、耳（図示せず）の周囲のユーザの頭部に係合するように適合されている耳パッド８１２を含む。

図９は、相異なるトランスデューサが装備されているヘッドホン７１６の周波数応答を示すグラフ９１０であり、それは、試験プレート８１０を使用して測定される。「ポリエステル」とラベル付けされた第１の曲線は、ＤｕｐｏｎｔによるＭｙｌａｒ（登録商標）など、ポリエステル薄膜から形成された従来の膜（図示せず）を有するトランスデューサを備えるヘッドホン７１６の周波数応答を示している。「紙」とラベル付けされた第２の曲線は、紙から形成される膜７３４（図７に示す）を有するトランスデューサ７１８を備えるヘッドホン７１６の周波数応答を示している。紙膜７３４及び小さいサラウンドを備えるトランスデューサ７１８は、ポリエステル曲線によって示されるポリエステル膜及び大きい屈曲タイプのサラウンドを備える従来のドライバと比較すると、紙曲線によって示される平滑な周波数応答を呈する。

図１０は、相異なるマイクロホンによって測定される、図４の第２の制御システム４１０を含んでいるが、Ｈ_ｅを備えていないヘッドホン７１６の周波数応答を示すグラフ１０１０である。「プレート」とラベル付けされた第１の曲線は、試験プレート８１０によって測定されるヘッドホン７１６の周波数応答を示している。「ＭＩＣ」とラベル付けされた第２の曲線は、内蔵型マイクロホンアレイ７１９によって測定されるヘッドホン７１６の周波数応答を示している。図１０に示すように、両曲線は、２ｋＨｚを上回るいくつかの小さい偏差を除けば、非常に類似している。

図１１は、ループフィルタ回路５０６によって実装され、試験プレート８１０によって測定される第２の制御システム４１０の性能を示すグラフを含む。第１のグラフ１１１０は、第２の制御システム４１０の開ループ伝達関数を示すボード線図である。第２のグラフ１１１２は、第２の制御システム４１０の開ループ位相応答を示している。戻って図５を参照すると、開ループ測定は、１つの実施形態においては、ループフィルタ回路５０６と加算ノード５４０との間で行われる。第３のグラフ１１１４は、第２の制御システム４１０の、結果として生じる閉ループノイズ伝達関数を示している別の線図である。第３のグラフ１１１４は、ノイズ伝達関数を示している「アクティブ」とラベル付けされた第１の曲線と、耳クッション８１２によるパッシブ減衰を含む、ヘッドホン７１６のノイズ伝達関数を示している「パッシブ＋アクティブ」とラベル付けされた第２の曲線とを含む。

第３のグラフ１１１４は、第２の制御システム４１０が、全音声帯域にわたって２０ｄＢを超える結合した（アクティブとパッシブ）ノイズ低減、及びオーバーシュートをほとんど伴わない円滑な応答を提供することを示している。第２のグラフ１１１２は、第２の制御システム４１０が、周波数範囲全体にわたって十分な位相余裕を提供することを示している。

図１２は、トランスデューサの開ループひずみと比較して、第２の制御システム４１０の、その音響出力において測定された閉ループひずみの周波数応答を示しているグラフ１２１０である。「パッシブ」とラベル付けされた第１の曲線は、試験プレート８１０によって測定される、ＡＮＣを備えていないヘッドホン７１６の総高調波ひずみの周波数応答を示している。「アクティブ」とラベル付けされた第２の曲線は、試験プレート８１０によって測定される、ＡＮＣがアクティブ状態であるヘッドホン７１６の総高調波ひずみの周波数応答を示している。アクティブ曲線は、第２の制御システム４１０のひずみ低減特徴を示しており、それは、低周波数においては約２０ｄＢである。

図１３を参照すると、サウンドシステムが、１つまたは複数の実施形態により示され、全体的に１３００によって参照される。サウンドシステム１３００は、アクティブノイズキャンセリング（ＡＮＣ）制御システム１３１０、及びヘッドホンの対（図示せず）、及び音声源１３１４を含む。各ヘッドホンは、トランスデューサ１３１８、及び少なくとも２つのマイクロホン１３２０を含むマイクロホンアレイ１３１９を含む。第３の制御システム１３１０は、音声源１３１４から音声入力信号（Ｖ）を受け取り、フィルタ処理された音声信号（Ｖ_ｆｉｌｔ）をトランスデューサ１３１８に供給する。サウンドは、トランスデューサ１３１８から各マイクロホン１３２０に第２の経路１３２２に沿って伝達される。各マイクロホン１３２０は、トランスデューサ１３１８から放射されるサウンド、ならびにノイズ（たとえば、周囲サウンド及びひずみを受け取り）、対応するマイクロホン出力信号（ＭＩＣ）を供給する。

第３の制御システム１３１０は、第２の制御システム４１０（図４に示す）の構造に加えてコントローラ１３５０を含む。第２の制御システムの構造は、簡略化され、等化フィルタ（ＥＱ）１３５２と、ＡＮＣループ及びヘッドホン増幅器ブロック１３５４とによって表される。第３の制御システム１３１０はまた、２つの相異なる音声源間で切り替えるための第１の位置（１）及び第２の位置（２）を含むスイッチ（Ｓ）を含む。スイッチは、それが第１の位置（１）に方向付けられるとき、音声源１３１４をＥＱフィルタ１３５２に接続し、それが第２の位置（２）に方向付けられるとき、ＤＳＰ１３５０をＥＱフィルタ１３５２に接続する。

第３の制御システム１３１０は、ユーザについての応答を自動的に較正し、カスタマイズするように構成されている。ヘッドホン周波数応答は、低周波数のみにおけるフィードバックによって制御される。しかしながら、ＥＱフィルタ１３５２を使用して、高周波数における応答を測定し、補正することが可能である。ＥＱフィルタ１３５２は、音声入力（Ｖ）を、音響出力が所定の目的関数を近似するようにフィルタ処理する。目的関数は、１つまたは複数の実施形態により、Ｈｏｒｂａｃｈによる米国特許出願第１４／３１９，９３６号に記載の方法を用いて決定される。第３の制御システム１３１０は、耳腔及びクッションにおける反射を低減させる、または解消することによって、ユーザについての応答をカスタマイズするように、ユーザの耳腔及びクッションの形状に対応するＥＱフィルタ１３５２の係数を調整するように構成されている。

ＡＮＣ制御システムを含むサウンドシステムを自動的に較正するための方法が、１つまたは複数の実施形態により示され、全体的に数字１４１０によって参照される。方法は、１つまたは複数の実施形態により、ＤＳＰ１３５０内に含まれているソフトウェアコードを使用して実装される。

動作１４１２においては、較正手順が、ユーザがヘッドホンを装着している間に開始される。較正手順は、ユーザによって、たとえば、１つの実施形態によれば、ユーザが、ヘッドホン組立体上のボタンを押圧することによって開始される。他の実施形態においては、較正手順は、ボイスコマンドに応答して、またはコンピュータもしくはスマートフォンを使用してＵＳＢポートを経由して信号伝達することによって開始され得る。

動作１４１４においては、ＤＳＰ１３５０は、第２の位置（２）に切り替えるようにスイッチ（Ｓ）を制御し、それによって、ＤＳＰ１３５０をＥＱフィルタ１３５２の入力部に接続する。動作１４１６においては、ＤＳＰ１３５０は、ＥＱフィルタ１３５２に対して供給される試験信号を生成し、サウンドとしてトランスデューサ１３１８から放射する。１つの実施形態においては、試験信号は、２５０から５００ミリ秒の間の短い対数掃引である。マイクロホンアレイ１３１９のマイクロホン１３２０は、何らかの反射またはノイズと一緒にサウンドを測定し、マイクロホン出力信号（ＭＩＣ）をＤＳＰ１３５０に供給する。

動作１４１８においては、ＤＳＰ１３５０は、ノイズキャンセリングマイクロホンアレイ１３１９を経由して取り込まれた掃引応答に基づいて、誤差フィルタをコンピュータ計算する。次に、動作１４２０においては、ＤＳＰ１３５０は、ＥＱフィルタ１３５２の係数を更新する。動作１４２２においては、第３の制御システム１３１０は、スイッチを位置１へと元に戻し、サウンドシステム１３１０は、通常の動作を再開する。１つまたは複数の実施形態においては、ＤＳＰ１３５０は、そのメモリにＥＱフィルタ１３５２の係数を保存するように構成され、それにより、ユーザは、毎回の使用前に、音声システム１３００を再較正する必要がなくなる。

図１５は、第３の制御システム１３１０の周波数応答を示すグラフ１５１０である。図１６は、第３の制御システム１３１０のインパルス応答を示すグラフ１６１０である。各グラフ１５１０、１６１０は、等化前の第３の制御システム１３１０の周波数応答を示している「ｅｑ前」とラベル付けされた少なくとも１つの曲線を含む。各グラフ１５１０、１６１０はまた、等化後の第３の制御システム１３１０の周波数応答を示している「ｅｑ後」とラベル付けされた第２の曲線を含む。

曲線の比較は、トランスデューサによって見られる耳腔及びクッションの中の残留反射が、等化を通じて解消可能であることを示し、それにより、円滑な応答につながる。これは、電気機械構成要素の公差による誤差、特には、ループ利得偏差を解消することを含む。目的応答は、ラウドスピーカを聴いているとき、通常の室内応答を模倣するように選択されており、高周波数に向けてわずかなロールオフを特徴とする。１つの実施形態においては、等化フィルタ（ＥＱ）１３５２は、長さが６４の最小位相ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタである。これは結果的に、図１６に示すプリリンギングを伴わない高速減衰、非分散性のヘッドホンインパルス応答をもたらす。

例示的な実施形態について、上に述べているが、これらの実施形態が、本発明のすべての可能な形態を説明していることを意図していない。むしろ、本明細書に使用される用語は、限定ではなく、記述の語であり、様々な変更形態が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく作成され得ることは理解される。加えて、様々な実装する実施形態の特徴は、本発明のさらなる実施形態を形成するように組合せ可能である。

Claims (17)

1. ヘッドホンであって、前記ヘッドホンは、
   内部に形成される開口を含む筐体と、
   剛性膜を含むトランスデューサであって、前記トランスデューサは、前記開口の中に配設され、前記筐体によって支持される、トランスデューサと、
   前記筐体に連結され、前記トランスデューサにわたって配設されて、前記トランスデューサによって放射されるサウンド、及びノイズを受け取る少なくとも２つのマイクロホンのアレイと、
   コントローラと、
   等化フィルタが音声源に接続されて第１の音声入力信号を受け取る第１の位置と、前記等化フィルタが前記コントローラに接続されて第２の音声入力信号を受け取る第２の位置との間で切り替わるように適合されたスイッチと
   を含み、
   前記コントローラは、
   前記等化フィルタの少なくとも１つの係数を更新することによって、前記ヘッドホンを較正することと、
   前記第２の位置に配置されるように前記スイッチを制御することと、
   試験信号を示す前記第２の音声入力信号を生成することと、
   前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた試験サウンドを示す第２のフィードバック信号を受け取ることと、
   前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの前記少なくとも１つの係数を更新することと、
   前記第１の位置に配置されるように前記スイッチを制御することと
   を行うようにプログラミングされている、ヘッドホン。
2. 前記剛性膜は、紙、炭素、バイオセルロース、陽極酸化アルミニウム、陽極酸化チタニウム、またはベリリウムから形成される、請求項１に記載のヘッドホン。
3. 前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイは、放射状に配置されており、並列に電気的に接続されている、請求項１に記載のヘッドホン。
4. 請求項１に記載のヘッドホンと、
   アクティブノイズキャンセリング（ＡＮＣ）制御システムと
   を含むサウンドシステムであって、
   前記ＡＮＣ制御システムは、
   音声入力信号を音声源から受け取ることと、
   前記等化フィルタを使用して、前記音声入力信号を等化することと、
   前記等化された音声入力信号、及び前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られたサウンドの空間平均値を示すフィードバック信号に基づいて、ループフィルタを使用して、フィルタ処理された音声信号を生成することと、
   前記フィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給することと
   を行うようにプログラミングされている、サウンドシステム。
5. 前記ＡＮＣ制御システムは、
   試験信号を示す第２の音声入力信号を生成することと、
   前記等化フィルタ及び前記ループフィルタを使用して、前記第２の音声入力信号をフィルタ処理することと、
   前記フィルタ処理された第２の音声入力信号を前記トランスデューサに供給することであって、前記トランスデューサは、前記フィルタ処理された第２の音声入力信号に応答して試験サウンドを放射するように適合されている、ことと、
   前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた前記試験サウンドの空間平均値を示す第２のフィードバック信号を受け取ることと、
   前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの係数を更新することと
   を行うようにさらにプログラミングされている、請求項４に記載のサウンドシステム。
6. 前記ＡＮＣ制御システムは、前記トランスデューサと前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイとの間のサウンド移動の二次経路を示す伝達関数を推定することなく、前記フィルタ処理された音声信号を生成するようにさらにプログラミングされている、請求項４に記載のサウンドシステム。
7. サウンドシステムであって、前記サウンドシステムは、
   トランスデューサ、及び少なくとも２つのマイクロホンのアレイを含むヘッドホンであって、前記トランスデューサは、剛性膜を含む、ヘッドホンと、
   少なくとも１つの所定の係数に基づいて、音声入力信号を等化するように適合された等化フィルタと、
   前記等化された音声入力信号、及び前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られたサウンドを示すフィードバック信号に基づいて、フィルタ処理された音声信号を生成するように、ならびに前記フィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給するように適合された漏洩積算器回路を含むループフィルタ回路と、
   コントローラと、
   等化フィルタが音声源に接続されて第１の音声入力信号を受け取る第１の位置と、前記等化フィルタが前記コントローラに接続されて第２の音声入力信号を受け取る第２の位置との間で切り替わるように適合されたスイッチと
   を含み、
   前記コントローラは、
   前記等化フィルタの少なくとも１つの係数を更新することによって、前記ヘッドホンを較正することと、
   前記第２の位置に配置されるように前記スイッチを制御することと、
   試験信号を示す前記第２の音声入力信号を生成することと、
   前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた試験サウンドを示す第２のフィードバック信号を受け取ることと、
   前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの前記少なくとも１つの係数を更新することと、
   前記第１の位置に配置されるように前記スイッチを制御することと
   を行うようにプログラミングされている、サウンドシステム。
8. 前記少なくとも１つの所定の係数は、所定の目的関数が前記ヘッドホンに対応した後、モデル化される、請求項７に記載のサウンドシステム。
9. ゼロＤＣオフセットを提供するためにフィードバック経路において配置されるＤＣサーボをさらに含む、請求項７に記載のサウンドシステム。
10. 前記漏洩積算器回路は、さらに、並列に配置される演算増幅器及びフィードバック抵抗器／コンデンサ（ＲＣ）回路を含む、請求項７に記載のサウンドシステム。
11. 前記ループフィルタ回路は、さらに、前記フィルタ処理された音声信号の中心周波数において利得を加えるように適合されているピークフィルタを含む、請求項７に記載のサウンドシステム。
12. 前記ループフィルタ回路は、さらに、前記フィルタ処理された音声信号の高周波数範囲において高振幅ピークを抑制するように適合されているノッチフィルタを含む、請求項７に記載のサウンドシステム。
13. フィードフォワード経路に配置されるハイパスフィルタをさらに含む、請求項７に記載のサウンドシステム。
14. 前記フィードバック信号は、前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた前記サウンドの空間平均値を示す、請求項７に記載のサウンドシステム。
15. 前記剛性膜は、紙から形成される、請求項７に記載のサウンドシステム。
16. ヘッドホン内でアクティブノイズキャンセレーション制御システムを自動的に較正するためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記プログラムは、
    試験信号を示す第１の音声入力信号を生成するための命令と、
    等化フィルタ及びループフィルタを使用して、前記第１の音声入力信号をフィルタ処理するための命令と、
    前記フィルタ処理された第１の音声入力信号を前記ヘッドホンのトランスデューサに供給するための命令であって、前記トランスデューサは、剛性膜を含み、前記フィルタ処理された第１の音声入力信号に応答して試験サウンドを放射するように適合されている、命令と、
    前記ヘッドホンの少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた前記試験サウンドの空間平均値を示す第１のフィードバック信号を受け取るための命令と、
    前記第１のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの係数を更新するための命令と、
    前記等化フィルタの少なくとも１つの係数を更新することによって、前記ヘッドホンを較正するための命令と、
    前記等化フィルタがコントローラに接続されて第２の音声入力信号を受け取る第２の位置に配置されるようにスイッチを制御するための命令と、
    試験信号を示す前記第２の音声入力信号を生成するための命令と、
    前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られた試験サウンドを示す第２のフィードバック信号を受け取るための命令と、
    前記第２のフィードバック信号に基づいて、前記等化フィルタの前記少なくとも１つの係数を更新するための命令と、
    前記等化フィルタが音声源に接続されて第１の音声入力信号を受け取る第１の位置に配置されるように前記スイッチを制御するための命令と
    を含む、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
17. 前記プログラムは、
    前記等化フィルタを使用して、前記第２の音声入力信号を等化するための命令と、
    前記等化された第２の音声入力信号、及び前記少なくとも２つのマイクロホンのアレイによって受け取られたサウンドの空間平均値を示す第２のフィードバック信号に基づいて、前記ループフィルタを使用して、第２のフィルタ処理された音声信号を生成するための命令と、
    前記第２のフィルタ処理された音声信号を前記トランスデューサに供給するための命令と
    をさらに含む、請求項１６に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。