キーワード：アクティブノイズキャンセリング、デジタル信号処理、デジタルフィルタ

まるで“魔法”のよう

最近は低価格帯の完全ワイヤレスイヤホンでも搭載されるようになり、広く認知されるようになった「ノイズキャンセリング技術」。

理屈は非常にシンプル、でも奥が深く、今後も発展の期待ができる技術です。

実は、私が音・信号処理・空間音響に興味を持つきっかけとなったのが、このノイズキャンセリング技術です。

大学時代の研究室紹介でノイズキャンセリング技術のデモを見せていただいたのですが、指定された空間に頭を突っ込むと、それまで聞こえていた音がピタッと消えて、

と、かなり衝撃を受けたのを今でも覚えています。

しかし、実際にZE8000でノイズキャンセリングの設計を行うと、

ということを実感しました。

地道な作業こそ必要で、開発を行う上で得られたノウハウや知見が積み重なってこその技術だと改めて感じました。

そんなノイズキャンセリングについて、技術開発を先の時代に進めていくためには正しくその技術の核心を理解することが重要だと考えています。

パッシブとアクティブの違い

雑音を抑圧するノイズキャンセリング技術には大きく2つの種類があります。
一つはパッシブで、もう一つはアクティブです。

＜パッシブノイズキャンセリング＞

簡単にいうと雑音の侵入を遮断する方法で、耳栓効果とも呼ばれます。ヘッドホンやカナル型イヤホンによる物理的な密閉により遮音効果を高めます。

単純に騒音を遮断するだけ？と思われますが、その効果は非常に高く、しっかりと設計を行えば、それだけで十分な騒音の抑圧になります。
主に、中域〜高域の騒音を抑圧することができます。

＜アクティブノイズキャンセリング＞

侵入してきた雑音をデジタル信号処理により消す方法です。一般的にはANCと略されて呼ばれることが多いです。
簡単に言えば、イヤホンやヘッドホンに内蔵されたマイクロホンで雑音を収音して、その音信号と逆位相の音信号を生成し、加算することで、雑音を消す仕組みです。

仕組みはいたってシンプルですが、雑音を収音するマイクロホンの性能や、収音した音信号に適用するデジタルフィルタ（FIRフィルタとIIRフィルタの２種類があり、用途によって使い分けます）によって効果が変わるため、高いレベルの技術が必要となります。

イヤホンやヘッドホンを装着して、騒音が大きな環境（例えば電車の中や、車が行き交う道路の近くなど）で音楽を聴くと、外部の騒音の影響で音楽が聴きづらくなります。この騒音を抑制する目的でアクティブノイズキャンセリングが利用されています。
本文では雑音と表記していますが、具体的には騒音を意味します。

・逆位相の波で打ち消す原理
仕組みとしては至ってシンプルです。
まず、音というのは空気中に圧力変化が生じることで伝搬する波です。
その音波に180°反対の逆位相の音波を重ね合わせることで、図のように音を消すことができます。これがノイズキャンセリングの原理です。

・ANCの方式
アクティブノイズキャンセリング（ANC）には主に3つの方式があります。
フィードフォワード方式、フィードバック方式、ハイブリッド方式です。
それぞれ特徴を説明します。

フィードフォワード方式

ヘッドホンの外側にマイクロホンを設置し、そのマイクロホンで外部の音を収音し、雑音除去を行います。
フィードフォワード方式の特徴は、広い帯域で雑音を浅く除去することができる点です。
音楽信号への影響という観点ですと、フィードフォワード方式は、外部の雑音を収音して逆位相の信号を加算して雑音除去をしているだけなので、音楽信号に対しては原理的に影響を及ぼしません。

雑音を除去する信号は、外部の雑音に対してデジタルフィルタを適用することで生成します。
このデジタルフィルタは、イヤホンを装着した状態で雑音源から鼓膜位置までの伝達関数と、イヤホンを装着しマイクロホンをONにした状態で雑音源から鼓膜位置までの伝達関数の差分を算出して設計を行います。

伝達関数を測定する治具とその精度によって伝達関数が大きく変わります。
そもそもデジタルフィルタの設計ができない場合もあるので、注意が必要です。また、設計自体はできますが、聴感上の効果を感じられない場合もあります。さらに、デジタルフィルタの種類や処理量に制約がある場合があります。

伝達関数から算出されたフィルタに対してリソースに応じた近似が必要な場合、雑音源からマイクロホンまでの伝達関数を正確に測定したとしても、この近似によりフィルタ特性が変化してしまうと雑音除去の性能も大きく変わってしまうため、注意が必要です。
治具製作から伝達関数の測定、デジタルフィルタ設計までを何度もやり直して、精度を高めていく、粘り強さも必要です。

フィードバック方式

ヘッドホンの内部にマイクロホンを設置し、外からの音が漏れこんで鼓膜に到達する状態を観測して、雑音除去を行います。
フィードバック方式の特徴は、鼓膜に近い場所にマイクロホンを配置し、鼓膜に到達する雑音を正確に収音することでより正確な伝達関数の測定が出来るため、低域までより深く雑音を除去することができます。

音楽信号への影響という観点だと、フィードバック方式は、再生音も収音して雑音除去処理をするため、音楽の低音が減衰してしまいます。
そこで、音楽信号の低域を事前にその減衰分だけ持ち上げておく必要があります。これにより、SN比（信号と雑音の比率）が悪くなったり、音質への悪影響が生じてしまいます。
また、実際には鼓膜の位置にマイクを配置するのは極めて困難なため、観測点での測定誤差が生じて雑音除去性能に影響する場合があります。

そのため、開発ではターゲットとなる筐体（スピーカーやバッテリーが入っているイヤホンの本体部分）で特性を測定し、デジタルフィルタの係数やゲイン値を調整していくことが必要となります。
このパラメータ調整によって、雑音除去性能と音楽の品質が大きく変わるため、何度もやり直して精度を高めていく必要があります。

ハイブリッド方式

フィードフォワード方式とフィードバック方式を合わせることで両方の特徴を活かすことができるのが、ハイブリッド方式です。

ただ、外部と内部の両方にマイクロホンを設置する必要があるために、マイクロホンの数が増えてしまいます。さらに、マイクロホンの設置場所を考慮する必要があるため、筐体設計に影響を及ぼします。

音楽信号への影響や実際に設計する時の注意点は、上記2つの方式で記載したことと同様となります。
フィードフォワード方式とフィードバック方式の2つを同時に成立させる必要があるので、設計の難易度は高いです。