システム設計とその後の実験調査の結果を5つの小節に整理して示す。 最初に、仮想ANCヘッドフォンのシステム設計を説明する。 次に、最高の制御性能を得るための膜の位置について検討する。 3番目に、ヘッドアンドトルソシミュレータ（HATS）に実装したシステムで、広帯域グレーノイズが存在する場合のANC性能を測定しました。 さらに、合成されたさまざまな種類の実環境ノイズ信号に対するシステム性能を評価します。 5616>
Virtual ANC ヘッドフォンシステム設計
提案するシステムの構成要素とその配置を示す概略図を図1aに示します。 2つの副ラウドスピーカーがユーザーの頭の後ろに（ヘッドレストに組み込まれる場合と同様に）配置され、1つは両耳で周囲の環境からの主音を制御し、それによってユーザーをより静かな環境に置くために、両側に配置される。 LDVは、近くに設置された小型軽量で再帰性反射膜のピックアップの表面振動を測定することで、外耳道の入り口での音響信号を決定するために使用される。 図1aは、各耳に1つずつ、2つのインバウンドレーザービームを示すが、本明細書では、簡潔さと明瞭さのために、片耳ソリューションを考慮し、説明するが、両耳等価の一般性は損なわれない。
仮想ANCヘッドフォン。 (a)近傍の2次スピーカペアを使用して耳内の音を低減することにより、両耳に静寂ゾーンを形成する。必要な誤差信号は、外耳道の近くにある小さな膜状ピックアップの振動のLDV測定から決定される。 ユーザーの動きには、カメラベースのトラッキングシステムが対応し、ガルバノメーター駆動のミラーをアクティブに制御してレーザービームを操り、メンブレン上の位置を維持することができる。 (b) セカンダリーラウドスピーカーの位置。 各2次ラウドスピーカーはANCコントローラ（図示せず）を通じてアンチノイズ信号を生成する。
ANCシステムでは、10dB以上の音の減衰が得られる領域として静寂ゾーンが定義され、ゾーンサイズは拡散音場における音の波長の約10分の1とされている4。 鼓膜を外耳道に近づけると、その周囲にこのような静寂域が形成され、鼓膜（鼓膜）に伝播する音を低減させることができる。 ここで紹介する2つの副音声は、図1bに示すように、0.44m離れて、方位角45度でユーザーを向いて設置されている。 コントローラは、適応制御のためのエラー信号としてLDVから膜の表面振動速度を取ります。その詳細については、「方法-ノイズ制御アルゴリズム」のセクションを参照してください。 特注の画像処理アルゴリズムの適用により、LDVは音響エラー信号をリアルタイムでリモート取得することができる。 実験は、背景音圧レベル38.5dBA（A-weighted SPL、dB re. 20μPa）の静かな部屋で行われた。 右耳と左耳のシミュレータを備えたヘッドアンドトルソシミュレータ（HATS; Brüel and Kjær Type 4128-C）を用いて、ユーザの耳の鼓膜で体験される音を測定しました。 図2bは、このシステムで使用されるメンブレンピックアップの設計と構成を示したものです。 ピックアップは、直径9.2mm、深さ4.6mm、質量約0.2gの高分子円筒管に厚さ0.1mmの再帰反射フィルム（3 M-Scotchlite Sheeting 761027）を張り合わせ、密閉したもので、サイズ、質量ともに可能な限り低侵襲な組み合わせになっている。 フィルムは、レーザー光の入射が正常でない場合でも、レーザー光の後方散乱光信号を最大にするために使用され、これは、不可避な頭の動きの存在下で有利である。 メンブレンはマイクロフォンの振動板と同様に機能し、音圧によって引き起こされる機械的振動を最終的に電気信号に変換する。 しかし、この場合、内部に電子部品（測定信号を処理するプリアンプなど）はなく、信号伝送のための配線も必要ない。 その代わり、信号の調整と変換は、LDVのオプトエレクトロニクスで遠隔的に完了します。 図2
定置型HATSの実験セットアップ。 (a)音響制御のために2つの副ラウドスピーカーをHATSの背後に配置した。 複数の一次側ラウドスピーカー（3本）を任意に配置し、異なる方向からの不要な音を模擬した。 LDVからのプローブレーザー光は、耳の中の膜に向けて照射された。 (b) HATSの左人工耳の外耳道に膜を近接させた。 5616>
データ収集システムはLDVと一緒に遠隔地に設置されている。 LDV （Polytec PDV-100） は、20 Hz ～ 22 kHz の周波数帯域で測定が可能です。 LDV は三脚に取り付けられ、HATS およびラウドスピーカー （Genelec 8010A） からは防振されています。 ANCコントローラ（Antysound TigerANC WIFI-Q）のサンプリングレートは32kHzに設定し、一次および二次パスのフィルタ長を1024タップに設定した。 適応制御アルゴリズムは、測定された膜速度信号を直接受け取り、それを最小化しようとしただけであることに注意する必要があります。 5616>
Optimal placement of the membrane pick-up
メンブレンのピックアップをできるだけ外耳道の近くに配置することは明らかですが、どの場所がより実行可能で最適か、そしてそれぞれの場合の ANC パフォーマンスがどうなるかは、すぐには明らかになりません。 図3は、4つのピックアップの位置を示したもので、1番は耳介の前方切欠部、2番はトラガス、3番は円錐空洞、4番は小葉の上である。 実験はHATSの左の人工耳で行った。 ここでは、HATSの真後ろ0.6m離れた場所にある1つのラウドスピーカーのみを一次音源として使用した。 一次音源信号は、500 Hzから6 kHzまでのFletcher-Munson曲線フィルタ28をカスタマイズした広帯域グレーノイズとした（補足図S2参照）。 このフィルタは、HATS内部で平坦な周波数応答を持つ測定SPLを得るために適用された。 左鼓膜での総合SPLは、ANCオフで77.7dB（re. 20μPa-以下省略）であった
SPL（dBレ）は、ANCオフにした場合のSPLである。 20μPa）。HATS左耳シミュレータで、鼓膜がHATS左人工耳の（a）位置#1-前方ノッチ、（b）位置#2-トラガス、（c）位置#3-カブラコンチャ、（d）位置#4-小葉にあったとき、ANCあり、なしでユーザーが左鼓膜で体験する音を模して測定したもの。
ANCをオンにした場合、#1および#2の位置での性能は、結果として全体のSPLがそれぞれ69.2dBと70.9dBとなり、類似したものとなった。 しかし、音の低減は4kHz以下の周波数でのみ顕著でした。 これは、この2つの地点で測定された音圧が、4 kHz以下の外耳道の音圧と同程度しかないためと思われます。 したがって，この2点での制御性能も4 kHzまでが限界である． ANC をオンにした場合、3 番目の地点の音響低減が最も良好で、全体の SPL は 63.5 dB となりました。 500Hzから6kHzの全周波数帯域で14.2dBの総合SPLの低減を実現しました。 4番の小葉は、他のどの場所よりも外耳道から離れた場所にありました。 音低減の有効な周波数範囲は約3 kHzまでで、5～6 kHzの範囲では約6 dBの増加が観察されました。 この膜の位置の性能分析の結果に基づいて、3番の位置（円錐窩）が膜の最適な位置であると確認されました。 共通の信号で駆動するラウドスピーカーを配置し、1つまたは複数の反射板でますます複雑な環境を作り出しました。 信号は、図3に示した結果を得るために使用したものと同等の広帯域グレーノイズを再び使用しました。 すべてのテスト結果は、15秒間のデータ長を平均化することで得られた。 図4aは、HATSの背面から0.6m離れた場所に一次音源を設置し、周囲からの反射を考慮せずに近くの音源から来る音をシミュレートしたセットアップを示します。 ANCを有効にすると、全体のSPLが78.1 dBから63.8 dBに、左耳と右耳でそれぞれ77.3 dBから62.0 dBに減少し、ほぼ15 dBの減衰が実現されました。 このシナリオは、1 kHz までの音を制御した現在の最新システム20 と同様ですが、ここでは 6 kHz までの、より広い周波数範囲での改善が達成されました。 図4
3種類の主スピーカー構成と、両耳でのANCあり/なしの対応SPL（dB re. 20μPa）です。 (a) 近くの1つの音源からの音を模擬するために、1つのプライマリーラウドスピーカーを使用した。 (b) 2つのスピーカを使用して、近くにある2つの音源、または近くに反射面がある1つの音源をシミュレートした。 (c) 4つの一次ラウドスピーカーを使用して、複数の方向からの音をシミュレートし、実際の一般的なケースを近似した。
図4bは、2つの一次ラウドスピーカーを異なる2箇所に任意に配置した状況の設定と結果を示している。 これは、ユーザがテーブルや壁などの大きな剛体反射面に近い状況を表すことができる。 この場合、元の音源からの音響信号と反射板からの音響信号はコヒーレントである。 左耳と右耳でそれぞれ80.2 dBと77.9 dBから66.0 dBと65.2 dBに全体のSPLが減少し、約13 dBの減衰が得られました。 図4cは、複数の反射板が存在する、より一般的な状況を示しています。 これを実現するために、4つの一次ラウドスピーカーを頭部の様々な位置に任意に配置しました。 全体のSPLが80.4 dBから68.9 dBに、左耳と右耳でそれぞれ80.1 dBから69.4 dBに減少して、約11 dBの減衰が得られました。 これらの3つのシナリオすべてにおいて、このシステムは500 Hzから6 kHzの全周波数帯域で最低10 dBの減衰を実現しました。 5616>
Performance evaluation for synthetic environmental noise
提案するソリューションの能力をさらに実証するために、3種類の録音された一般的な環境騒音シナリオがある場合の性能を評価した。 最近実施された構成20と同様に、一次音源はHATSの真後ろ約1.2mに位置し、1チャンネル（右耳）のみが制御された。 3つの実験は半無響室で行われた。 まず、航空機内騒音29 の録音を一次音源信号として使用した。 図5aに、ANCの前後でHATSが観測した15秒間の信号を示し、この時間を平均したスペクトルも示しています。 全体のSPLは74.7dBから59.6dBと15dB以上大幅に改善されました。 次に、航空機の飛来音30を例にとって検証してみました。 図5bは、HATSで観測した非定常騒音のANC前後の時間領域信号とスペクトル（3〜8秒間の平均値のみ）です。 ここでも、500Hzから6kHzの範囲で顕著な低減が見られた。 また、騒音が最も顕著な3秒から8秒の間、全体のSPLは約82.1dBから61.6dBへと20dB以上減衰していることが確認された。 最後に、群衆の話し声の録音を主な音源信号として使用した31。 図5cは、ANCの前と後の15秒間の時間領域と周波数領域の信号を示しています。 全体のSPLは75.5 dBから59.8 dBに制御され、15 dB以上の低減が達成されました。 表1は、これらの新しいシナリオについて、提案システムを使用しない場合と使用した場合の平均総合SPLをまとめたもので、提案システムを使用することにより、6kHzまで15〜20dBのノイズ低減を達成することができます。 ANC前後の音声記録は、補足動画1を通して体験することができます。 現在の最先端の仮想センシングANCソリューションの上限周波数は1 kHz程度とされていますが、図に示すように、本システムでは仮想ANCヘッドフォンほどの性能は得られないことに留意する必要があります。 図 5
HATS によって観測された時間領域信号と対応する音圧レベル (dB re.) です。
Performance evaluation in presence of head motion
人は連続的に頭の動きを見せやすいので、LDVからのプローブレーザー光は、それに対応する耳の中の膜の任意の動きを追跡できる必要がある。 このようなトラッキングLDVソリューションは、多くの複雑な測定タスクのために広く研究、開発、応用されている26。本シナリオは、さらに興味深い応用例である。 そこで、コンセプトの実証のために、シンプルなトラッキングシステムを実装しました。 この特注のカメラベースのトラッキングシステムを図6に、仕様は「方法-ヘッドトラッキングシステム」のサブセクションに示しています。 ここで使用されるシナリオは、図4aで説明したものと同じであり、すなわち、すぐ後ろに単一の音源があるものである。
(a) 単一主スピーカー付きヘッドトラッキング装置の設定。 トラッキングシステムとLDVは頭部の左側に配置されている。 (b)レーザービームを操るためのパンとチルトミラーを備えたトラッキングシステムの構成。 カメラはターゲットオブジェクトのトラッキングのためにコントローラに取り付けられています。 (c) 耳介の膜の下に黄色いマーカーを置き、ターゲットオブジェクトとする。 (d）走査型LDVからのレーザビームの経路を示すカメラベースのトラッキングシステムの概略図。
図6cに示されるように、HATSの耳介上のマーカーの動きは、画像処理ベースのトラッキングシステムによって、膜へのほぼ最適なレーザビーム入射を維持し、有用なエラー信号をもたらすことが決定されている。 補足図S3と関連する解説は、オフセンター測定と異なるレーザービーム入射角がシステム性能に及ぼす影響を示しています。 全体として、性能はメンブレン上のレーザービームの正確な位置に特に敏感ではなく、したがって、レーザービームの入射が幾何学的中心に正確にある必要はないと判断された。 レーザービームが中心からわずかにずれていても、ANC性能は維持されます。 さらに、レーザービームの入射角度は性能に大きな影響を与えませんでした。 60度の入射では、LDV信号が5dB程度低下しますが、これもANC性能への悪影響はごくわずかです。 図7は、静止したHATSのANCオフ（1）とオン（2）、移動するHATSのANCオンとヘッドトラッキング無効（3）、有効（4）の4つの制御性能を示しています。 HATSの移動は、人が座った状態で前後に移動することを想定し、前後移動を手動で実施しました。 補足動画2でのHATSの最大移動距離は約0.08m peak-to-peakで、最大速度は約0.04m/sであった。 図7aは、図4aと同じ構成で、各ケースの時間領域計測の15秒間のサンプルである。 図 7b は、各ケースについて、全期間にわたって対応する平均化された周波数スペクトルを示しています。 5616>
開発したヘッドトラッキングシステムによるANC性能の評価。 (a) HATSで観測された時間領域信号の4つの15秒サンプル。 上側の30秒は静止状態でのANCオフとオンでの音圧、下側の30秒は移動中のHATSでトラッキングシステムをオフとオンにしてANCオンでの音圧を示している。 (b) 4つの信号の対応する音圧レベル（dB re. 20μPa）。
ANCはオン、トラッキングはオフでHATSが移動すると、頭部（したがって膜）はプローブレーザー光から離れ、それによってLDV信号が「脱落」するか、耳での音圧を代表しない振動測定となったのです。 このため、制御システムは容易に発散してしまい、図7bに示すように、実際、全体のSPLは81.1dBから99.5dBへと大幅に増加した。 トラッキングシステムを有効にすると、HATSが移動してもミラーはメンブレンへのレーザービーム入射を維持した。 したがって、LDV測定は適応制御のために有効なままであった。 図7bに示すように、このシステムは全周波数帯域で81.1dBから70.4dBまで音を低減させた。 HATSの移動中も制御性能は10dB以上の低減を維持しており、ANCシステムにトラッキングシステムを使用する必要性を示している。 なお、これらの音声記録は、補足動画2
で体験することができる。
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