JP2012129970A

JP2012129970A - イヤホンマイク

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Publication number: JP2012129970A
Application number: JP2011034865A
Authority: JP
Inventors: Koji Tanitaka; 幸司谷高
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: US20110206229A1; EP2362677A3; CN102164326A; US8553922B2; EP2362677A2; CN102164326B; JP5691618B2; EP2362677B1

Abstract

【課題】通話者の話声を識別するのに必要な周波数の成分を過不足なく含んだ音信号を通話相手に送信する。
【解決手段】本体部１２の一端面１４からは利用者の外耳道に挿入される挿入部１３が突出しており、この挿入部１３の先端に収音部１５がある。本体部１２の他端面１６には２つの収音部１７および１８がある。信号処理部２０内の減算部２１は、収音部１７および１８の出力信号Ｓ_OUT１およびＳ_OUT２の差分信号Ｓ_OUTを出力する。ＨＰＦ２２は、差分信号Ｓ_OUTにおける低域の成分を減衰させる。アンプ２３は、ＨＰＦ２２の出力信号Ｓ_OUT’を増幅する。加算部２４は、アンプの出力信号Ｓ_OUT”と収音部１５の出力信号Ｓ_INを加算し、この加算結果を通話音信号Ｓ_SNDとして出力する。
【選択図】図１

Description

この発明は、収音を行うマイクとしての機能と放音を行うイヤホンとしての機能を併有するイヤホンマイクに関する。

この種のイヤホンマイクは、例えばハンズフリー通話を行うための携帯電話機のオプション機器等として広く利用されている。このイヤホンマイクの中には、イヤピースにおける通話者の耳に挿入される挿入部に小型のマイクロホンを埋め込み、話者の頭蓋骨を介して外耳道内に伝わる話声をこのマイクロホンにより収音して出力するものがある（例えば、特許文献１を参照）。イヤホンのイヤピースの挿入部が外耳道内に挿入されると、外耳道の出口が挿入部に塞がれ、外耳道の出口の外側の空間で発生する雑音が外耳道内に殆ど伝わらなくなる。よって、このイヤホンマイクによると、通話者の周りの雑音が混じっていない通話音を通話相手に伝えることができる。

特開２００７−２８１９１６号公報

しかしながら、通話者の声帯で発生した音は、通話者の頭蓋骨を介して外耳道に伝わる過程において、音声の子音を識別するのに不可欠な帯域である３ｋＨｚ以上の成分が失われてしまう。よって、外耳内に伝わる音だけを通話者の話声として通話相手に伝えても、円滑な通話が実現し難いという問題があった。
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、通話者の話声を識別するのに必要な周波数の成分を過不足なく含んだ音信号を通話相手に送信できるようにすることを目的とする。

本発明は、耳に挿入される挿入部と、前記挿入部が耳内に挿入された状態で前記耳内の鼓膜と対向する側の端部において音を収音する第１の収音部と、前記挿入部が耳内に挿入された状態で前記耳から露出する側の端部において音を収音する第２の収音部と、前記第２の収音部の音信号を前記第１の収音部の音信号に加算し、この加算信号を当該イヤホンマイクの出力信号とする信号処理手段とを具備することを特徴とするイヤホンマイクを提供する。

この発明によると、通話者の頭蓋骨を経由して第１の収音部に伝わる過程において失われる３ｋＨｚ以上の帯域の成分が、通話者の口の外の空間を経由して第２の収音部に伝わる音によって補われる。よって、通話者の話声を識別するのに不可欠な周波数成分を過不足なく含む音信号を通話相手に送信することができる。

この発明の実施形態であるイヤホンマイクの構成を示す図である。同イヤホンマイクを図１のＡ方向及びＢ方向から見た図である。同イヤホンマイクを耳に装着した状態を示す図である。同イヤホンマイクを装着した利用者の話声Ｓおよび雑音Ｎの到来方向と収音部の位置関係を示す図である。同イヤホンマイクを装着した利用者の声帯から外耳道を経由して収音部の出力端子に至る伝達経路の振幅特性Ｒ_IN、同イヤホンマイクにおける耳の外側に露出する２つの収音部からアンプの入力端子に至る伝達経路の振幅特性Ｒ_０びＲ_９０を示す図である。本発明の第２実施形態であるイヤホンマイクの構成を示す図である。本発明の他の実施形態であるイヤホンマイクの構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態であるイヤホンマイク１０の構成を示す図である。図２（Ａ）は、図１のイヤホンマイク１０をＡ方向から見た図であり、図２（Ｂ）は、図１のイヤホンマイク１０をＢ方向から見た図である。

このイヤホンマイク１０は、携帯電話機（不図示）からケーブル１１を介して入力される受話音信号Ｓ_RCVを利用者の外耳道内に放音する。また、イヤホンマイク１０は、当該イヤホンマイク１０の利用者の声帯から頭蓋骨を介して耳に伝わる音と口の外の空間を介して耳に伝わる音を収音する。そして、頭蓋骨を介して耳に伝わる音の３ｋＨｚ以下の帯域の成分を外の空間を介して耳に伝わる音により補った送話音信号Ｓ_SNDを生成し、この送話音信号Ｓ_SNDをケーブル１１を介して携帯電話機に出力する。ここで、口の外の空間を介して耳に伝わる音を収音するための手段として、単一指向性を有する収音手段と、双指向性を有する収音手段が考えられるが、以下に説明する実施形態では、後者の双指向性を有する収音手段が採用されている。

図１、図２（Ａ）および図２（Ｂ）において、イヤホンマイク１０の本体部１２の一端面１４からは挿入部１３が突出している。この挿入部１３は、イヤホンマイク１０の使用時に利用者の外耳道内に挿入される部分である。図２（Ｂ）に示すように、本体部１２の端面１４と挿入部１３は略Ｌ字をなすように交差しており、その交差角度は直角よりも僅かに鈍角になっている。挿入部１３の先端には収音部１５が設けられている。この収音部１５は、利用者の声帯から頭蓋骨を介して耳に伝わる音を収音する部分である。また、本体部１２の他端面１６には２つの収音部１７及び１８が設けられている。この収音部１７及び１８は、利用者の口から外の空間を介して耳に伝わる音を収音する部分である。２つの収音部１７及び１８のうち収音部１７は本体部１２の端面１６における挿入部１３の裏側の位置にある。この収音部１７と端面１６におけるもう１つの収音部１８は本体部１２の延在方向に沿って離間しており、収音部１７及び１８間は距離Ｄの間隔がある。

図３に示すように、イヤホンマイク１０は、本体部１２の端面１４から突出している挿入部１３を利用者の耳の外耳道ＥＡＣ内に挿入することにより、利用者の耳に装着される。通常、イヤホンマイク１０は、２つの収音部１７及び１８が利用者の口と両耳を通過する平面内に各々位置するような姿勢で、利用者の耳に装着される。

この通常の装着状態では、イヤホンマイク１０における３つの収音部１５，１７，および１８のうち外耳道ＥＡＣ内の挿入部１３の先端の収音部１５が鼓膜ＤＲＭと対向し、他の２つの収音部１７及び１８が耳の外側に露出する。そして、利用者の声帯から発生した音声Ｓは、利用者の頭蓋骨及び外耳道ＥＡＣを経由して収音部１５に到達する。また、音声Ｓは、利用者の口から利用者の頬の周囲を回り込み、収音部１７から収音部１８に向かう方向に沿って伝搬され、それら２つの収音部１７及び１８に到達する。収音部１５，１７，及び１８は、各々に到達した音を収音し、収音した音を示す音信号Ｓ_IN，Ｓ_OUT１，及びＳ_OUT２を出力する。

ここで、収音部１５の出力信号Ｓ_INは、音声Ｓにおける３ｋＨｚ以下の周波数成分が減衰した信号となる。音声Ｓが頭蓋骨および外耳道ＥＡＣを経由する過程において３ｋＨｚ以下の周波数成分が失われるためである。また、収音部１７及び１８の出力信号Ｓ_OUT１及びＳ_OUT２は、音声Ｓの成分と、利用者の周囲で発生した雑音Ｎの成分とを含む信号となる。

図１において、信号処理部２０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。信号処理部２０は、減算部２１、ＨＰＦ（High Pass Filter）２２、アンプ２３、および加算部２４を有する。減算部２１には、収音部１７及び１８の出力信号Ｓ_OUT１及びＳ_OUT２が入力される。ここで、減算部２１は、収音部１８の出力信号Ｓ_OUT２から収音部１７の出力信号Ｓ_OUT１を減算し、この減算結果を音信号Ｓ_OUTとして出力する。この減算部２１と収音部１７及び１８は、以下の２つの役割を果たす。
ａ．利用者の口の方向から到来する音をこれと異なる方向から到来する音よりも高い感度で受音する。
ｂ．３ｋＨｚ以下の周波数成分を十分に減衰させて収音する。

減算部２１と収音部１７及び１８とからなる構成が上記役割ａ及びｂを果たす理由は次の通りである。上述したように、通常の装着状態では、本体部１２の端面１６上に並ぶ２つの収音部１７及び１８が利用者の顔面側及び後頭部側に各々位置する。よって、図４に示すように、通常の装着状態における収音部１８から収音部１７に向かう方向（利用者の耳から利用者の顔面方向に向かう方向）を基準方向とし、利用者の口と両耳を通過する平面内において利用者の耳から見た音源ＡＳの方向と基準方向とがなす角度をθ（０≦θ≦１８０）とすると、利用者の頬の周囲を回り込んでくる音声Ｓは、θ＝０度の方向から収音部１７及び１８に到来する。

ここで、θ＝９０度付近の方向（すなわち、利用者の真横の方向）に音源ＡＳがある場合、その音源ＡＳから収音部１７までの音の伝搬距離と収音部１８までの音の伝搬距離はほぼ同じになる。従って、この場合における収音部１７の出力信号Ｓ_OUT１と収音部１８の出力信号Ｓ_OUT２は、ほぼ同相かつ同レベルとなり、減算部２１の出力信号Ｓ_OUTのレベルはほぼ０となる。しかし、音源利用者の耳から見た音源ＡＳの方向がθ＝９０度の方向から大きくずれると、音源ＡＳから収音部１７までの音の伝搬距離と収音部１８までの音の伝搬距離との間に大きな距離差ΔＬが生じ、この距離差ΔＬに応じた位相差Δφが収音部１７の出力信号Ｓ_OUT１と収音部１８の出力信号Ｓ_OUT２との間に発生する。このため、収音対象である音声の帯域全体に着目すると、音源利用者の耳から見た音源ＡＳの方向がθ＝９０度の方向からθ＝０度、１８０度の各方向に向けてずれるに従って、減算部２１の出力信号Ｓ_OUTのレベルが大きくなる傾向となり、収音部１７及び１８と減算部２１は、全体として、利用者の前方（θ＝０度）と後方（θ＝１８０度）から到来する音に対する受音感度が強い双指向性の収音手段として機能することになる。より詳細に説明すると、信号Ｓ_OUT１及びＳ_OUT２間の位相差Δφは、距離差ΔＬと、収音部１７及び１８の出力信号Ｓ_OUT１及びＳ_OUT２を構成する周波数成分のうちの着目する周波数成分の波長λの両方に依存する。本実施形態では、収音部１７及び１８がθ＝９０度の方向から到来する音を収音する場合における収音部１７及び１８と減算部２１とからなる収音手段の出力信号Ｓ_OUTのレベル（すなわち、受音感度）が低域から高域までの全帯域に渡って低下し、収音部１７及び１８がθ＝０度及びθ＝１８０度の方向から到来する音を収音する場合における同収音手段の出力信号Ｓ_OUTのレベル（受音感度）が３ｋＨｚ以下の低域において３ｄＢ以上低下するように、収音部１７及び１８間の距離Ｄが決定されている。理論上、この距離Ｄと、θ＝０度及びθ＝１８０度の方向から到来する音の受音感度が３ｄＢ低下する周波数ｆｃとの間には、次式（１）に示す関係が成り立つ。次式（１）におけるｖは音速である。
ｆｃ＝ｖ／（２Ｄ）…（１）

そして、本実施形態では、この関係式（１）を利用して求まる距離Ｄの一例として、Ｄ＝１２ｍｍとしている。距離Ｄを１２ｍｍとすることにより、収音する音の周波数が３ｋＨｚを超えて高くなるに従って位相差Δφがπに近づき、減算部２１の出力信号Ｓ_OUTのレベルが顕著に大きくなる。その結果、収音部１７及び１８と減算部２１とからなる収音手段の出力信号Ｓ_OUTのレベル（受音感度）は、３ｋＨｚ以下の低域では低くなり、３ｋＨｚ以上の帯域では高くなる。

図１において、減算部２１の出力信号Ｓ_OUTはＨＰＦ２２に入力される。このＨＰＦ２２は、収音部１７及び１８と減算部２１とからなる収音手段によって低域の成分を十分に減衰させることができなかった場合に、その低域の成分を十分に減衰させるためのものである。ＨＰＦ２２の出力信号Ｓ_OUT’は、アンプ２３に入力される。このアンプ２３は、減算部２１の出力信号Ｓ_OUTを通話相手への送信に好ましいレベルまで増幅するためのものである。加算部２４は、アンプ２３から入力された信号Ｓ_OUT”と収音部１５から入力された信号Ｓ_INとを加算し、加算結果を送話音信号Ｓ_SNDとして出力する。この送話音信号Ｓ_SNDはケーブル１１を介して携帯電話機に入力され、入力先の携帯電話機から通話相手の携帯電話機に送信される。

以上説明したように、本実施形態では、利用者の外耳道ＥＡＣ内に挿入される挿入部１３の先端に収音部１５を配する。また、利用者の耳の外側に露出する位置に、通常の装着状態において利用者の顔面側と後頭部側を向く位置関係となる２つの収音部１７及び１８を配する。そして、収音部１５の出力信号Ｓ_INにおいて欠けている３ｋＨｚ以下の帯域の周波数成分を収音部１８及び１７の信号Ｓ_OUT２及びＳ_OUT１の差分信号Ｓ_OUTにより補った信号を送話音信号Ｓ_SNDとする。これにより、話声Ｓを識別するのに不可欠な周波数成分を過不足なく含んだ送話音信号Ｓ_SNDを通話相手に送ることができる。

ここで、発明者らは、収音部１７及び１８間の距離ＤをＤ＝１２ｍｍとした場合における本実施形態の効果を確認すべく、収音部１７及び１８間の距離ＤをＤ＝１２ｍｍとしたイヤホンマイク１０−Ｄ１２と、収音部１７及び１８のうち１つ（例えば、収音部１７）のみを有するイヤホンマイク１０-ｓｎｇｌを用いて次のような計測を行った。まず、発明者らは、θ＝０度の方向の音源ＡＳから音を放射した場合におけるイヤホンマイク１０−Ｄ１２のアンプ２３の出力信号Ｓ_OUT”-Ｄ１２とθ＝０度の方向の音源ＡＳから音を放射した場合におけるイヤホンマイク１０-ｓｎｇｌのアンプ２３の出力信号Ｓ_OUT”-ｓｎｇｌとを採取し、５００Ｈｚ，１０００Ｈｚ，２０００Ｈｚ，４０００Ｈｚ，及び８０００Ｈｚの各周波数における信号Ｓ_OUT”-Ｄ１２の信号Ｓ_OUT”-ｓｎｇｌに対する比（ｄＢ）を求めた（下記表１の第１行）。また、発明者らは、θ＝９０度の方向の音源ＡＳから音を放射した場合におけるイヤホンマイク１０−Ｄ１２のアンプ２３の出力信号Ｓ_OUT”-Ｄ１２とθ＝９０度の方向の音源ＡＳから音を放射した場合におけるイヤホンマイク１０-ｓｎｇｌのアンプ２３の出力信号Ｓ_OUT”-ｓｎｇｌとを採取し、５００Ｈｚ，１０００Ｈｚ，２０００Ｈｚ，４０００Ｈｚ，及び８０００Ｈｚの各周波数における信号Ｓ_OUT”-Ｄ１２の信号Ｓ_OUT”-ｓｎｇｌに対する比（ｄＢ）を求めた（下記表１の第２行）。

表１に示すように、収音部１７及び１８間の距離ＤをＤ＝１２ｍｍとした場合、θ＝９０度となる方向から収音部１７及び１８に伝わる音は、５００Ｈｚ〜８０００Ｈｚのほぼ全帯域に渡って２０ｄＢ以上減衰する。一方、この場合、θ＝０度となる方向から収音部１７及び１８に伝わる音は、５００Ｈｚおよび１０００Ｈｚの帯域において概ね２０ｄＢ程度減衰するが、２０００Ｈｚ以上の帯域は１５ｄＢ以下の大きさの減衰しかしない。

よって、図５に示すように、収音部１７及び１８間の距離ＤをＤ＝１２ｍｍとした場合、収音部１７及び１８からアンプ２３の出力端子までの伝達経路におけるθ＝０度の方向の音に対する振幅特性Ｒ₀は、３ｋＨｚ以下の帯域において低下し、同経路におけるθ＝９０度の方向の音に対する振幅特性Ｒ_９０は、低域から高域までの全帯域において低下する。従って、この場合、利用者の声帯から外耳道ＥＡＣを経由して収音部１５の出力端子に至る伝達経路の振幅特性Ｒ_INにおいて減衰する３ｋＨｚ以上の帯域の成分が、θ＝０度の方向から到来する音（利用者の話声Ｓ）によって補われる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態であるイヤホンマイク１０Ａの構成を示す図である。このイヤホンマイク１０Ａは、第１実施形態のイヤホンマイク１０（図１）における本体部１２の端面１６上の収音部１７及び１８の個数を２個から１個に減らしたものである。ここで、本実施形態における端面１６上の唯一の収音部１７は、無指向性のマイクである。このイヤホンマイク１０Ａでは、本体部１２の端面１６上の収音部１７が収音した音を示す音信号Ｓ_OUTがＨＰＦ２２に入力される。このＨＰＦ２２では、音信号Ｓ_OUTにおける３ｋＨｚ未満の成分が減衰され、音信号Ｓ_OUTにおける３ｋＨｚ以上の成分を含む信号が信号Ｓ_OUT’としてＨＰＦ２２からアンプ２３に出力される。上記第１実施形態において説明したように、この３ｋＨｚ以上の成分は、利用者の発声した音声の成分のうちその音声の理解に役立つ３ｋＨｚ以上の成分を含んでいる。従って、収音部１５により収音された音声信号に対してこの音声の理解に役立つ３ｋＨｚ以上の成分の加わった音声信号を利用者の通話相手に送ることができ、上記第１実施形態と同様な効果が得られる。

また、本実施形態では、本体部１２の端面１６上の収音部１７の個数を１個にし、この収音部１７の出力信号Ｓ_OUTをそのままＨＰＦ２２に入力して濾波することにより、音声Ｓが頭蓋骨および外耳道ＥＡＣを経由する過程において失われる周波数成分を含む信号Ｓ_OUT’を生成する。よって、本実施形態によると、マイクロホン１０Ａの本体部１２の寸法を第１実施形態のイヤホンマイク１０のそれよりも小型化することができる。

以上、この発明の第１及び第２実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態があり得る。例えば、以下の通りである。
（１）上記第１実施形態において、図７に示すように、端面１６上における２つの収音部１７及び１８のうち少なくとも一方（図７の例では収音部１７）と減算部２１の間に遅延部５０を介挿してもよい。この図７に示すイヤホンマイク１０Ｂでは、収音部１７の出力信号Ｓ_OUT１に遅延を与えた収音信号Ｓ_OUT１”と収音部１８の出力信号Ｓ_OUT２が減算部２１に入力される。減算部２１は、収音部１８の出力信号Ｓ_OUT２から遅延部５０の出力信号Ｓ_OUT１”を減算し、この減算結果を音信号Ｓ_OUTとして出力する。この実施形態によると、収音部１７及び１８と減算部２１からなる収音手段における感度を低下させる帯域の上限周波数を所望の周波数にすることができる。
（２）上記第１実施形態において、端面１６上の収音部１７及び１８の個数を３個以上としてもよい。
（３）上記第１実施形態において、収音部１７及び１８を、利用者の口の方向の受音感度の高い指向性マイクに置き換えてもよい。
（４）上記第１及び第２実施形態において、ＨＰＦ２２とアンプ２３を一体化した回路として構成してもよい。
（５）上記第１実施形態において、減算器２１を加算器によって置き換え、この加算器と収音部１７及び１８とからなる構成により、所望の周波数の音の感度を高める処理を行わせてもよい。
（６）上記第２実施形態において、本体部１２の端面１６上の収音部１７として利用者の口の方向に対する指向性を持ったマイクロホンを採用してもよい。そして、この場合には、マイク自身の周波数特性を使い、収音部１７及びアンプ２３間にＨＰＦ２２を設けずに、収音部１７の音信号Ｓ_OUTをアンプ２３に入力する構成としてもよい。

１０…イヤホンマイク、１１…ケーブル、１２…本体部、１３…挿入部、１５，１７，１８…収音部、１４，１６…端面、２０…信号処理部、２１…減算部、２２…ＨＰＦ、２３…アンプ、２４…加算部、５０…遅延部。

Claims

耳に挿入される挿入部と、
前記挿入部が耳内に挿入された状態で前記耳内の鼓膜と対向する側の端部において音を収音する第１の収音部と、
前記挿入部が耳内に挿入された状態で前記耳から露出する側の端部において音を収音する第２の収音部と、
前記第２の収音部の出力信号を前記第１の収音部の出力信号に加算し、この加算信号を当該イヤホンマイクの出力信号とする信号処理手段と
を具備することを特徴とするイヤホンマイク。
前記第２の収音部は、２個の収音部からなり、
前記信号処理手段は、前記２個の収音部の出力信号の差分を出力する減算部と、この減算部の出力信号を前記第１の収音部の出力信号に加算する加算部とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のイヤホンマイク。
前記減算部と前記加算部の間に、前記減算部の出力信号における低域成分を減衰させるハイパスフィルタが介挿されていることを特徴とする請求項２に記載のイヤホンマイク。
前記２個の収音部が、前記挿入部が耳に挿入された状態において外耳道の中心軸とほぼ直交する平面内に距離を空けて並ぶような位置関係をもって配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のイヤホンマイク。