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技術 ノイズキャンセル装置、ノイズキャンセル方法及びプログラム

出願人 FutureTrek株式会社ニチデンワーク株式会社
発明者 吉村昌章井上博文
出願日 2019年4月21日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-080590
公開日 2020年10月29日 (3ヶ月経過) 公開番号 2020-177174
状態 未査定
技術分野 防音、遮音、音の減衰 可聴帯域変換器の細部(特性を得るもの) 超音波変換器 ヘッドホーン・イヤホーン 可聴帯域変換器の細部 I (筐付等)
主要キーワード 騒音障害 直接騒音 ヘルメット着用 標準波 空気伝導 固体伝導 全周波数域 ノイズ消去
関連する未来課題
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図面 (9)

課題

低周波域から高周波域を含め全周波域でのノイズキャンセルを可能とするノイズキャンセリング装置を提供することを目的とする。

解決手段

ノイズキャンセル装置は、周囲の騒音電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された騒音信号逆位相を生成する逆位相生成部を備え、前記逆位相を出力する振動子を複数設けることで全周波数域のノイズキャンセルを可能とする。本発明の各観点によれば、鉄工製作所の工場内や工事現場等の騒音環境下で就労する際にも全周波数域でのノイズキャンセルが可能となる。

概要

背景

従来、防音保護具として、耳栓イヤーマフタイプ、ノイズキャンセリング機能を有するイヤホン装置等が広く知られている。中でも、骨伝導を用いたノイズキャンセルイヤホンとしては(特許文献1参照)が挙げられる。特許文献1には、「音楽を聞きながら会話をするような場合」(同0004段落)とあるように、日常生活における雑音キャンセルを想定したイヤホンが記載されている。

概要

低周波域から高周波域を含め全周波域でのノイズキャンセルを可能とするノイズキャンセリング装置を提供することを目的とする。ノイズキャンセル装置は、周囲の騒音電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された騒音信号逆位相を生成する逆位相生成部を備え、前記逆位相を出力する振動子を複数設けることで全周波数域のノイズキャンセルを可能とする。本発明の各観点によれば、鉄工製作所の工場内や工事現場等の騒音環境下で就労する際にも全周波数域でのノイズキャンセルが可能となる。

目的

本発明は、低周波数域から高周波数域を含め全周波数域でのノイズキャンセルを可能とするノイズキャンセリング装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

周囲のノイズ打ち消すノイズキャンセル装置であって、周囲の外部音収集電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された騒音信号逆位相を生成する逆位相生成部とを備え、前記逆位相を出力する振動子を少なくとも片に対して複数設けることを特徴とする、ノイズキャンセル装置。

請求項2

複数の前記振動子は、互いに異なる周波数帯カバーする、請求項1記載のノイズキャンセル装置。

請求項3

前記逆位相生成部は、骨伝導を用いてノイズキャンセルする、請求項1又は2記載のノイズキャンセル装置。

請求項4

複数の前記振動子を頭部表面に配置されるように備える、請求項3記載のノイズキャンセル装置。

請求項5

音声通信部をさらに備える、請求項1から4いずれかに記載のノイズキャンセル装置。

請求項6

前記音声通信部は、超音波を用いて音声通信をする、請求項5記載のノイズキャンセル装置。

請求項7

前記音声通信部は、振幅変調を用いて音声通信をする、請求項5又は6記載のノイズキャンセル装置。

請求項8

外耳道を塞ぐ遮音部をさらに備える、請求項1から7のいずれかに記載のノイズキャンセル装置。

請求項9

周囲のノイズを打ち消すノイズキャンセル装置を用いたノイズキャンセル方法であって、前記ノイズキャンセル装置は周囲の騒音を電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された騒音の逆位相を生成する逆位相生成部を備え、さらに、前記逆位相を出力する振動子を少なくとも片耳に対して複数個備え、前記逆位相生成部が、外部音データ高速フーリエ変換により周波数分析するステップを含む、ノイズキャンセル方法。

請求項10

前記逆位相生成部が、周波数分析から得られた結果から、音が大きい周波数を複数個検出するステップをさらに含む、請求項9記載のノイズキャンセル方法。

請求項11

前記逆位相生成部が、前記信号変換部から強度が強い周波数の位相を検出するステップをさらに含む、請求項10記載のノイズキャンセル方法。

請求項12

前記逆位相生成部が、逆位相対応サイン波を新たに生成するステップを含む、請求項11記載のノイズキャンセル方法。

請求項13

前記逆位相生成部が、個人差による位相のズレを調整する時間制御ステップをさらに含む、請求項12記載のノイズキャンセル方法。

請求項14

コンピュータを、請求項9から13のいずれかに記載の前記信号変換部又は前記逆位相生成部として機能させるためのプログラム

技術分野

0001

本発明は、ノイズキャンセル装置ノイズキャンセル方法及びプログラムに関し、特に、周囲のノイズ打ち消すノイズキャンセル装置等に関する。

背景技術

0002

従来、防音保護具として、耳栓イヤーマフタイプ、ノイズキャンセリング機能を有するイヤホン装置等が広く知られている。中でも、骨伝導を用いたノイズキャンセルイヤホンとしては(特許文献1参照)が挙げられる。特許文献1には、「音楽を聞きながら会話をするような場合」(同0004段落)とあるように、日常生活における雑音キャンセルを想定したイヤホンが記載されている。

先行技術

0003

特開2017−125937号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、鉄工製作所の工場内や工事現場等の騒音環境下での就労発症する騒音性難聴を防止するためには、より高周波領域のノイズキャンセリングが必要となる。具体的には、図1に示すように、人の可聴域は20Hz〜20kHzまでとなっており、生活音の領域を超えた8kHz以上の高周波数でも可聴域であることが分かる。よって、少なくとも3kHzから15kHzまでの領域でノイズキャンセルする必要がある。

0005

他方、特許文献1には、鉄工製作所の工場内や工事現場のような特殊な環境下における騒音性難聴の防止について記載も示唆もない。したがって、厚生労働省が「騒音障害防止のためのガイドライン」において、85dB(A)以上の騒音作業に従事する労働者には防音保護具を使用させると共に、250〜8kHzまでの聴力検査義務付けられている、と勧告するように8kHzまでの騒音をキャンセルすることが想定されていると考えられる。

0006

図2振動子の特性を示す。図2(A)に示すように通常1つの振動子では、低周波数域から8kHz以上の高周波数域まで対応することは困難であることが分かる。よって、図2(B)に示すように、低周波数域から高周波数域までの全周波数域カバーするためには、高音域をカバーする振動子を増設し、周波数帯の相互カバーを行う必要がある。

0007

しかし、空間上の2ヵ所で音が発生する場合、音波伝わり方がそれぞれ異なる。音を作る場合には問題は生じないが、ノイズ消去の場合、完全な逆位相を作り出すことが重要であり、3D空間上で混ざり合う音に対し完全な逆位相を作り出すことは、ほとんど不可能である。さらに、外耳道は約35mm程度の長さがあるうえに、上から見ると直角に曲がっており、外耳道の音の反射個人識別できるくらいに個人差がある。よって、完全な逆位相を作り出すことがさらに困難となっている。

0008

マイクからスピーカーまでの距離があるため、マイクで集音した音は、スピーカーの位置では位相が進んでいる。5kHz以下では波長が長いため、進んだ位相分は無視できる範囲にあるが、波長の短い高周波では位相の進みが無視できなくなる。このため、高音域になるほど位相のズレが大きくなり、ノイズキャンセルの実現が困難となる。

0009

ゆえに、本発明は、低周波数域から高周波数域を含め全周波数域でのノイズキャンセルを可能とするノイズキャンセリング装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

本発明の第1の観点は、周囲のノイズを打ち消すノイズキャンセル装置であって、周囲の騒音を電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された騒音信号の逆位相を生成する逆位相生成部を備え、前記逆位相を出力する振動子を少なくとも片に対して複数設けることを特徴とするノイズキャンセル装置である。

0011

本発明の第2の観点は、第1の点のノイズキャンセル装置であって、複数の前記振動子は、互いに異なる周波数帯をカバーすることを特徴とする。

0012

本発明の第3の観点は、第1又は、第2の観点のノイズキャンセル装置であって、前記逆位相生成部は骨伝導を用いることを特徴とする。

0013

本発明の第4の観点は、第3の観点のノイズキャンセル装置であって、複数の前記振動子を、頭部表面に配置されるように備えることを特徴とする。

0014

本発明の第5の観点は、第1から第4いずれかの観点のノイズキャンセル装置であって、音声通信機能を備えるノイズキャンセル装置である。

0015

本発明の第6の観点は、第5の観点のノイズキャンセル装置であって、前記音声通信部は、超音波を用いて音声通信する機能を備えるノイズキャンセル装置である。

0016

本発明の第7の観点は、第5又は、第6の観点のノイズキャンセル装置であって、振幅変調を用いて音声通信をする機能を備えるノイズキャンセル装置である。

0017

本発明の第8の観点は、第1から第7いずれかの観点のノイズキャンセル装置であって、外耳道を塞ぐ遮音部をさらに備えるノイズキャンセル装置である。

0018

本発明の第9の観点は、周囲のノイズを打ち消すノイズキャンセル装置を用いたノイズキャンセル方法であって、前記ノイズキャンセル装置は、周囲の騒音を電気信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換される騒音の逆位相を生成する逆位相生成部を備え、さらに前記逆位相を出力する振動子を少なくとも片耳に対して複数個備え、前記逆位相生成部が、外部音データ高速フーリエ変換により周波数解析するステップを含む、ノイズキャンセル方法である。

0019

本発明の第10の観点は、第9の観点のノイズキャンセル方法であって、前記逆位相生成部が、周波数分析にて得られた結果から、強度が強い周波数を複数個検出するステップをさらに含む。

0020

本発明の第11の観点は、第10の観点のノイズキャンセル方法であって、前記逆位相生成部が、前記信号変換部から強度が強い周波数の位相を検出するステップをさらに含む。

0021

本発明の第12の観点は、第11の観点のノイズキャンセル方法であって、前記逆位相生成部が、逆位相対応サイン波を新たに生成するステップをさらに含む。

0022

本発明の第13の観点は、第12の観点のノイズキャンセル方法であって、前記逆位相生成部が、個人差による位相のズレを調整する時間制御ステップをさらに含む。

0023

本発明の第14の観点は、コンピュータを、請求項9から13のいずれかに記載の前記信号変換部又は前記逆位相生成部として機能させるためのプログラムである。

発明の効果

0024

本発明の各観点によれば、複数の振動子により全周波数域でのノイズキャンセルが可能となる。また、鉄工製作所の工場内や工事現場等の騒音環境下で就労する際は、聴力保護具や防音保護具と呼ばれる耳栓やイヤーマフの装着が義務付けられているが、防護服ヘルメット着用時に装着できない問題がある。その他の保護具として、ノイズキャンセリング機能を有するイヤホン装置があげられるが、一般に知られている耳孔挿入型のイヤホンは生活音をキャンセルすること主目的としており、騒音環境下における騒音性難聴にはあまり効果がみられない。さらには、騒音性難聴を発症すると回復は困難であるため、企業における労災のリスクもあり、社会的ニーズが高い。

0025

本発明の第2の観点によれば、単一の振動子ではカバーできなかった周波数域を、異なる周波数域をカバーする複数の振動子を設けることでカバーすることができる。さらに、幅広い周波数域をカバーすることができる振動子は高価であるため、周波数ごとに振動子を分けることにより、価格を抑えることができる。

0026

本発明の第3の観点によれば、骨伝導は固体伝導となるため、空気伝導の10倍の伝達速度となる。そのため、ノイズキャンセルを行う時に必要となる逆位相のサイン波を新たに作る時間が充分にある。さらに、骨伝導は人体伝導するため温度が一定であり外気温の影響を受けにくく波長の計算が容易となる。

0027

本発明の第4の観点によれば、骨伝導は、音波が空間に広がらず物体の中を伝わる音波と考えられるので、図3に示すように、頭蓋骨から伝わる音を2次元的に考えることができる。さらに、直接伝わる音波が強いため、反射等で他方向に広がる音波は無視できる。従って、骨伝導においては、音波の伝導を空間への広がりを考慮するのではなく、振動子と蝸牛を頭蓋骨経由で最短で到達する曲線という1次元として考えることができることに想到した。つまり、図3における蝸牛aの直線状に低中音用振動子b、高音用振動子cを配置することで、容易にノイズキャンセルにおける周波数帯の相互カバーを実現できる。

0028

図4に直線状に振動子を配置した場合の音の流れを示す。図4(A)は空間に振動子を直線状に配置した図である。低中音用振動子bから発生した音は、直線状に設置された高音用振動子cに音がぶつかり、音波が遮られることにより蝸牛aに音波が到達するまでに、位相のズレがおきる。よって、ノイズキャンセルにおける周波数帯の相互カバーが困難となる。しかし、図4(B)のように骨伝導を用いることにより、振動子を直線状に配置しても音が遮られることがなく、ノイズキャンセルにおける周波数帯の相互カバーを実現できる。よって、低周波数域から高周波数域までの全周波数域でノイズキャンセルが可能となる。

0029

本発明の第5の観点によれば、ノイズキャンセル装置との併用により、騒音環境下での意思疎通が確保できる。

0030

本発明の第6の観点によれば、電波での通信規制がある工場等における音声通信も確保可能である。

0031

本発明の第7の観点によれば、作業の手を止めることなく音声通信を行えるため、一般的なトランシーバーと比べ、生産性の向上を期待できる。

0032

本発明の第8の観点によれば、ノイズキャンセル装置の電源切れた場合においても、作業者が突然、直接騒音に晒されることを防ぐことが可能である。

0033

本発明の第9の観点によれば、高速フーリエ変換で周波数解析をすることにより、外部音に含まれる周波数を特定することができる。

0034

本発明の第10の観点によれば、特定した周波数うち強度が強い周波数を複数個選定し、逆位相を生成することにより効率良くノイズキャンセルが可能となる。

0035

本発明の第11の観点によれば、周波数により位相の進みが異なるため、周波数毎に位相のズレを計算する。よって、位相のズレがより顕著になる高周波数域でのノイズキャンセルが可能となる。

0036

本発明の第12の観点によれば、位相のズレを考慮した逆位相対応サイン波を新たに生成することにより、全周波数域でのノイズキャンセルが可能となる。

0037

本発明の第13の観点によれば、振動子から音が出力されるまでの時間を制御することにより、個人差による位相のズレを修正し、さらに精度の高いノイズキャンセルが可能となる。

図面の簡単な説明

0038

生活音の周波数領域を示した図である。
振動子の特性を示した図である。
頭蓋骨と振動子の位置関係を示した図である。
複数の振動子を使用した場合の音の流れを示した図である。
ノイズキャンセルシステムの構成を示すブロック図である。
逆位相音波を生成するためのシステムを示すブロック図である。
逆位相音波を生成するための解析処理方法を示すステップ図である。
ノイズキャンセル装置の1例を示した斜視図である。

0039

人体に音が伝達する経路は、通常の場合は外耳道から鼓膜に伝わり、鼓膜と接続している耳小骨から蝸牛へと伝わる。蝸牛内リンパ液で満たされており、リンパ液の振動有毛細胞に伝わることによって、伝達物質が放出され脳へと伝わる。よって、通常のノイズキャンセルは外耳道から伝わるノイズに逆位相の音波を再生することにより、鼓膜に伝わるノイズを消している。しかし、骨伝導では音が骨から直接、耳小骨に伝わる。よって、本ノイズキャンセル装置は、耳小骨と蝸牛の接続部である卵円窓に逆位相の音波をぶつけることにより、蝸牛内に満たされているリンパ液を振動させないことで、人体に聞こえるノイズを除去する。

0040

図5は、本発明が適用されるノイズキャンセル装置1の構成を示すブロック図である。ノイズキャンセル装置は、超音波通信部100とノイズキャンセル部200を有する。

0041

超音波通信部100の説明を行う。超音波通信部100は、音声収集部110と超音波送信部130、超音波受信部120、低中音用振動子250を有する。また、音声収集部110は骨伝導マイク111とフィルター部113を有する。超音波送信部130はAM変調部131と増幅部133と超音波振動子135を有する。超音波受信部120は超音波マイク121とAM復調部123を有する。低中音用振動子250は増幅部251と骨伝導振動子252を有する。また、超音波振動部250は超音波通信部100及びノイズキャンセル部200と共有している。

0042

音声収集部110は、送信者から発せられる音声101を骨伝導マイク111により収集し、フィルター部113により音声以外の雑音が取り除かれる。超音波送信部130は、雑音が取り除かれた音声101をAM変調部131により伝達信号に変換し、増幅部133により増幅後、超音波振動子135から超音波102として送信される。また、超音波受信部120は、送信された超音波102を超音波マイク121により受信し、AM復調部123により音声情報に変換後、低中音用振動子250から音声出力103として出力する。

0043

続いて、ノイズキャンセル部200の説明を行う。ノイズキャンセル部200は、低中音用マイク部210と高音用マイク部220、低中音用DSP(Digital Signal Processor)部230と高音用DSP部240、低中音用振動子部250と高音用振動子部260を有する。また、低中音用マイク部210は低中音用マイク211とADC213を有し、高音用マイク部220は高音用マイク221とADC223を有する。低中音用DSP部230は解析処理部231とDAC233を有し、高音用DSP部240は解析処理部241とDAC243を有する。低中音用振動子部250は、増幅部251と骨伝導振動子253を有し、高音用振動子部260は増幅部261と骨伝導振動子263を有する。

0044

低中音用マイク部210と高音用マイク部220は、外部音201を低中音用マイク211と高音用マイク221で収集し、ADC213、ADC223によりそれぞれデジタル変換される。また、集音するマイクは低周波数域から高周波数域までのデータを取得することが可能であれば、単一でも複数でもよい。低中音用DSP部230と高音用DSP部240は、解析処理部231と解析処理部241により周波数解析を行い、大きな音の周波数を複数個特定して、特定した周波数に対応する逆位相音波を生成する。その後、DAC233、DAC243により、生成された逆位相音波をアナログ変換する。低中音用振動子部250と高音用振動子部260は、増幅部251と増幅部261により逆位相対応サイン波を増幅し、骨伝導振動子253と骨伝導振動子263から低中周波逆位相音波202と高周波逆位相音波203としてそれぞれ出力される。

0045

続いて、低中音DSP部220の機能について図6及び図7も参照して説明を行う。但し、高音用DSP部230は、低音用DSP部220と同じ動作をする。図6は逆位相音波を生成するためのシステムを示すブロック図である。また、図7は。逆位相音波を生成するための解析処理方法のブロック図である。

0046

図5の低中音用マイク部210と高音用マイク部220により収集された外部音201はデジタル変換され、図6デジタル入力301としてDSP部に入力される。デジタル入力301は、記憶装置A303にデータ501を16個分保存する。また、記憶されるデータ量は16個でなくてもよく、データ量が多い程ノイズキャンセルの精度が向上する。

0047

続いて、ステップS401「高速フーリエ変換」において、高速フーリエ変換部310は、記憶装置A303に蓄積されたデータを基に高速フーリエ変換で周波数解析を行い、どの周波数がどれだけの強度なのかを解析する。その後、記憶装置B305にFFT結果503を記憶する。

0048

続いて、ステップS402「ピーク検出」において、ピーク検出部320は、FFT結果503からノイズキャンセルの対象となる大きな音の周波数を特定する。本実施例では、音の大きい方から8つの周波数を特定しているが、特定する周波数の数に制限はなく、特定する周波数を16等に増やすほどノイズキャンセルの精度が向上する。

0049

続いて、ステップS404「位相検出」において、位相検出部330は、特定された周波数毎に、位相を検出する。具体的には、記憶装置D309に記憶されているサイン波標準データ505のうち、ピーク検出部320が特定した周波数と同じ周波数の標準サイン波を高速フーリエ変換で判明した振幅の大きさと同じ大きさにする。続いて、大きさを合わせた標準波の位相をずらしながら、記憶装置C307に記憶されているデータ501である入力された信号と比較する。入力された信号との差が最小であるときの位相が求める位相であると決定し、逆位相データ507を生成する。逆位相データ507は、記憶装置E311に記憶される。

0050

続いて、ステップS405「逆位相計算」において、逆位相計算部340は、逆位相データ507から、逆位相対応サイン波509を特定された周波数毎に新たに生成する。逆位相対応サイン波509は、記憶装置F313に記憶される。

0051

また、音の伝達には個人差があるため、個人差の分だけ位相のズレが生じる可能性がある。よって、S406「時間制御」において、時間制御部350は、個人差による位相のズレを調整するために、鳴り初めの時間の制御を行う。

0052

続いて、ステップS407「DAC」において、DAC233は、新たに生成された逆位相サイン波509をアナログデータに変換する。また、ステップS4031〜S4038「逆位相サイン波生成部」は特定される周波数の数だけあり、並列同時処理される。

0053

その後、ステップS408「低中音用振動子」において、振動子250は、アナログ変換された逆位相対応サイン波509を出力する。また、振動子250は図5の低中音用振動子部250に対応している。

実施例

0054

図8は、ノイズキャンセル装置の一例を示す斜視図である。本件ノイズキャンセル装置は、音声収集部110と超音波送信部130、超音波受信部120、低中音用振動子250を備え超音波での音声通信を行うことを可能としている。また、多くの骨伝導マイクは首の部分で音声を拾っているが、顔が動くとずれるため、顔と一緒に動作する部分(本実施例では外耳道付近)に取付ける。また、全周波数域の音を収集するため、低中音用マイク210L,210R、高音用マイク部220L,220Rを有する。さらに、収集した音を解析し逆位相音波を生成するための、低中音用DSP部230L,230Rと高音用DSP部240L,240Rを有し、逆位相音波を出力するための、低中音振動子250L,250Rと高音用振動子260L,260Rを有する。また、ノイズキャンセルにおける周波数帯の相互カバーを実現するため、各振動子は蝸牛に対して直線状に配置されることが望ましい。さらに、耳栓部270と280を備え、電池切れの場合に作業者が突然騒音に晒されるのを防ぐ。また、耳栓部270と280は交換が可能であり、個人に合った耳栓を使用することができる。

0055

1ノイズキャンセル装置
100超音波通信部
101音声
102 超音波
103音声出力
110 音声収集部
111骨伝導マイク
113フィルター部
120超音波受信部
121超音波マイク
123 AM復調部
130超音波送信部
131 AM変調部
133増幅部
135超音波振動子
200ノイズキャンセル部
201外部音
202 低中周波数逆位相音波
203高周波数逆位相音波
210 低中音用マイク部
211 低中音用マイク
213ADC
220高音用マイク部
221 高音用マイク
223 ADC
230 低中音用DSP部
231解析処理部
233 DAC
240 高音用DSP部
241 解析処理部
243 DAC
250 低中音用振動子部
251 増幅部
253骨伝導振動子
260 高音用振動子部
261 増幅部
263 骨伝導振動子

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