ノイズキャンセリングヘッドホンが静けさを作るしくみ
ノイズキャンセリングヘッドホンは部屋全体を静かにするわけではありません。耳の近くの音圧を整えているのです。イヤーパッドの密閉、マイク、信号処理、ドライバーを順にたどりながら、装着感が大事な理由、一定の低い音が減らしやすい理由、そして音楽再生や外音取り込みモードがどこに位置づけられるのかを見ていきます。
この動画には、鉄道の実写映像、AIで生成した架空の人物と車内の場面、写真をもとに作ったヘッドホンのモデルが含まれます。内部の経路、ドライバーの断面、波形は簡略化した図で、測定した性能や正確な設計図ではありません。このモデルはすべてのヘッドホンに共通する設計ではありません。 字幕は英語、韓国語、スペイン語、日本語で用意しています。
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静けさは局所的
列車が走り、換気装置が動き、この人のまわりには車内の低いうなりが響いています。ノイズキャンセリングヘッドホンを着けると、うなりが遠のいたように感じます。ヘッドホンが車内を無音にしたわけでも、あらゆる場所の音を消したわけでもありません。耳の近くの小さな範囲に届く、圧力の変化のパターンを変えたのです。
仕組みを見るため、同じ人と同じヘッドホンに注目しましょう。まず、電子回路が働く前に届く音に注目します。ファンやエンジンが近くの空気を前後に揺らし、圧力の変化が車内を伝わります。同じ空気の粒子が、エンジンからヘッドホンまで移動するわけではありません。
粒子はそれぞれ元の位置の近くで振動し、圧力の変化は先へ伝わります。ヘッドホンは耳元で、この伝わる圧力の変化を捉え、働きかけます。
最初の層は密閉
マイクやプロセッサーが働く前から、イヤーカップとクッションが音の通り道を変えています。クッションが耳のまわりを押さえ、外の音が入りにくくなります。これがパッシブ遮音です。別の音波を作らずに、耳への密着だけで音の一部を遮ります。今度は同じカップの外殻を開きます。ヘッドバンド、クッション、耳の位置はそのままです。
中には、バッフル、ドライバー、耳を囲む密閉空間が見えます。密閉は単なる設定ではありません。頭の形やパッドの当たり方で決まります。眼鏡のつるをクッションの下に通すと、その接点に細いすき間ができます。すき間があると、本来は遮音が効くところにも、外の圧力が直接入りやすくなります。
アクティブ制御は拾った音に対応できますが、装着状態をすべて同じにはできません。つまり、物理的な密閉とアクティブ制御が、それぞれの役割で音を抑えます。
部屋ではなく1つの目標点
耳の穴のすぐ外の空気に、小さな測定点を置いたと想像してください。その点では、届いた車内音の圧力が時間とともに変わります。ドライバーは同じ空気に、別の圧力変化を加えられます。タイミングと強さがうまく合うと、二つの圧力変化が目標点で部分的に打ち消し合います。
打ち消しきれずに残る圧力変化が残留音です。これを小さくするのが目標です。逆位相とは、聞く位置と制御する周波数で、波どうしが適切な関係にあることを指す言葉です。逆の周波数を選ぶだけでは足りません。打ち消しは位相、振幅、タイミング、音響経路で決まります。波が音源を消すわけではなく、波の重なり方も部屋の場所によって違います。
目標点が少し動くだけで、バランスが変わることもあります。だからこの実演では、車内全体が無音になるようには描かず、片耳の近くの小さな範囲に注目します。穏やかな音量で短く聞き比べてください。うなりは残りますが、その場の残留音は小さくなります。原理を示すのに、驚かせる音は要りません。
片方のカップの中のハイブリッド経路
開いたヘッドホンの外殻から、クッションを通って耳のまわりの空間へとたどりましょう。説明に使うこのハイブリッド方式では、外側のマイクが近づく車内の騒音を拾います。その電気信号は、カップ内側の回路基板にあるプロセッサーへ送られます。プロセッサーは音の伝わる経路を考慮し、ドライバーからどんな補正音を出せるか推定します。
ドライバーは振動板を動かし、カップ内に制御された圧力変化を作ります。耳の穴の近くで内側を向くマイクは、外の音とドライバーの音が重なった後に残る音を測れます。この方式では、測定結果をプロセッサーに戻し、繰り返し制御に生かせます。外側のマイク、プロセッサー、ドライバー、耳元の残留音を測るマイク、信号を戻す経路がつながりました。
実際には、フィードフォワード用のマイクを使う機種、フィードバック用を使う機種、両方を使う機種があります。マイクの数、配置、フィルター、チューニングは、製品ごとの音響設計によります。クッションや外殻、電子回路を変えると、音の経路が変わり、再調整が必要になることもあります。この断面図はハイブリッド方式の一例です。全メーカー共通の内部設計ではありません。
先に小さくなる音がある理由
列車のうなりに戻りましょう。比較的ゆっくり変わり、システムが追従できるほど長く続きます。ファンの音や走行音、航空機の客室の騒音には、こうした一定の低い音がよく含まれます。制御回路は続く音のパターンを測り、すぐ先の変化を予測して、適切な補正音を出せます。突然の物音や近くの声は、変化が速く、予測も難しくなります。
高い周波数では、わずかなタイミングの誤差でも位相が大きくずれ、遅延や装着状態の影響が強まります。クッションも音の一部を遮ります。アクティブ制御が効きにくいと、遮音の重要性が増すこともあります。この組み合わせで、会話や鋭い一瞬の音より、低いうなりのほうが減りやすくなります。あくまで傾向です。低音がすべて消えるとも、高音がすべてそのまま通るとも限りません。
ヘッドホンは調整された音の経路で、騒音の抑え方と安定性、消費電力、音質のバランスをとります。回路上の信号は、周波数や用途に応じたものです。元の信号を反転するだけで、何にでも使えるわけではありません。
静けさ、音楽、まわりへの注意
音楽がなくても打ち消しは働き続けられます。外の音に反応しているからです。今度は同じドライバーに別の音楽信号を加えます。ドライバーは音楽と、車内の残留音を減らす補正音を同時に出します。目的は別々です。一方の信号は曲を加え、もう一方は周囲の騒音の一部を抑えます。
音楽を止めても、ヘッドホンとモードによっては、打ち消し機能が続くことがあります。外音取り込みモードの目的は、マイクと信号処理で周囲の音をもっと耳に届けることです。逆の波形を大きく流すだけではなく、声や周囲の音の通し方を調整する場合もあります。通勤中の一定の騒音には遮音を強め、会話や周囲に注意したいときは外音を聞く、と選べます。
操作方法やモードは、メーカーや機種によって違います。打ち消し用のマイクは、遮音と外音取り込みの調整にも役立ちます。
残る音
基板から視点を引き、同じヘッドホンを着けた人に戻ります。カップの形やクッション、密着具合はやはり重要です。眼鏡のつるのすき間も影響します。マイクはその場の音だけを拾い、プロセッサーも設計や処理時間の限界内で働きます。変化する声や突然の衝撃音、すき間から入る音は、はっきり残ることもあります。
ソニーの製品ガイドも、騒音は完全には消えず小さくなるとし、低い音への効果を強調します。ボーズも、近くの話し声は一定の背景騒音より減らしにくいとしています。原理の欠陥ではなく、実際の音の経路や装着状態のもと、限られた速さで制御するための限界です。ヘッドホンは列車のうなりを止めず、車内の圧力変化も取り除きません。
物理的な遮音とアクティブ制御で、特定の音の成分について耳元に残る音を減らします。この静けさは、条件が合えば耳元で得られます。カップと電子回路の両方が支えます。空気は振動し続け、音楽を再生すればドライバーは曲を流し続けます。外音取り込みを選べば外の音も聞こえます。一定のうなりが小さく聞こえます。魔法のような無音ではありません。
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出典
- Bose — how noise cancellation works: https://www.bose.com/stories/how-do-noise-cancelling-headphones-work
- Sony — noise cancellation and its limits (WH-XB900N guide): https://helpguide.sony.net/mdr/whxb900n/v1/en/contents/TP0002049996.html
- Analog Devices — Bowers & Wilkins case study: https://www.analog.com/en/signals/articles/bowers-wilkins-noise-canceling-headphones.html
- Analog Devices — audio algorithms and hybrid ANC: https://www.analog.com/en/solutions/lp/audio-algorithms-for-enhanced-conversation.html
- Cirrus Logic — CS47L85 datasheet, page 165: https://statics.cirrus.com/pubs/proDatasheet/CS47L85_v4.2.pdf
- FOOTAGE
- Mixkit — City train driving under a bridge (#1606): https://mixkit.co/free-stock-video/city-train-driving-under-a-bridge-1606/
- Mixkit — People getting into the subway train (#1623): https://mixkit.co/free-stock-video/people-getting-into-the-subway-train-1623/
- Used under the Mixkit Stock Video Free License: https://mixkit.co/license/modal/videoFree/
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