知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特表2024-515065イヤホンキャリブレーションのための信号調整システム、装置、及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-04-04
(54)【発明の名称】イヤホンキャリブレーションのための信号調整システム、装置、及び方法
(51)【国際特許分類】
H04R 29/00 20060101AFI20240328BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20240328BHJP
H04R 1/10 20060101ALI20240328BHJP
【ＦＩ】
H04R29/00 310
H04R3/00 310
H04R1/10 104E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023561910
(86)(22)【出願日】2022-04-06
(85)【翻訳文提出日】2023-11-29
(86)【国際出願番号】 CA2022050522
(87)【国際公開番号】W WO2023019345
(87)【国際公開日】2023-02-23
(31)【優先権主張番号】63/171,147
(32)【優先日】2021-04-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514146737
【氏名又は名称】エコール ドゥ テクノロジー スペリウール
【氏名又は名称原語表記】ＥＣＯＬＥ ＤＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥ ＳＵＰＥＲＩＥＵＲＥ
【住所又は居所原語表記】１１００ ｒｕｅ Ｎｏｔｒｅ－Ｄａｍｅ Ｏｕｅｓｔ Ｍｏｎｔｒｅａｌ， Ｑｕｅｂｅｃ Ｈ３Ｃ １Ｋ３ （ＣＡ）
(74)【代理人】
【識別番号】100121821
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 強
(72)【発明者】
【氏名】ナドン ヴィンセント
(72)【発明者】
【氏名】ヴォワ ジェレミー
(72)【発明者】
【氏名】ドレース エリオット
【テーマコード（参考）】
5D005
5D220
【Ｆターム（参考）】
5D005BB01
5D220AB01
(57)【要約】
オーディオウェアラブルデバイスの取得システムに必要なダイナミックレンジを低減するために、チャープや対数チャープなどの広帯域キャリブレーション刺激を調整するシステム、装置、及び方法。刺激のダイナミックレンジは、時間エンベロープとデジタルフィルタを使用して圧縮され、大きな共鳴ピークによるレスポンス信号のクリッピングや飽和を防止することができる。オーディオウェアラブルデバイスのキャリブレーションのためのそのような事前調整方法によれば、低深度又は低解像度の取得システムを使用して測定を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
イヤホンのキャリブレーションを行う方法であって、少なくとも１つのラウドスピーカのテブナン等価インピーダンスを算出し、
外耳道の基準面における負荷インピーダンスを推定した前記テブナン等価インピーダンスの関数として算出し、
前記算出された負荷インピーダンス及び測定された音圧レベルに基づいて、前記基準面において前記ラウドスピーカが発する前方圧力（Pforward）を推定し、
前記推定された前方圧力レベルに基づいて、前記ラウドスピーカに適用される補正値を算出する、イヤホンのキャリブレーションを行う方法。
【請求項2】
前記テブナン等価値の前記算出は、前記テブナン等価インピーダンス（Zs）及び音圧（Ps）の算出を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記負荷インピーダンスの前記算出は、前記基準面において外耳道内の音圧（Pl）を測定し、以下の式を用いて基準面におけるインピーダンス（Zl）を算出する、請求項２に記載の方法。【数1】
【請求項4】
前記ラウドスピーカによって発せられた前記推定圧力レベルの前記推定には、以下の式を用いる、請求項３に記載の方法。【数2】
【請求項5】
前記ラウドスピーカに適用される前記補正値の前記算出は、ゲインテーブルを用いることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
ラウドスピーカのテブナン等価値を推定する方法であって、適用される前記補正値の前記算出は、特定の周波数における音圧の目標値と前記Pforward値との差を見つけることを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
ラウドスピーカのテブナン等価値を推定する方法であって、異なる周波数における音圧（P）を測定するためのキャビティを有するキャリブレーション装置を用い、
前記キャビティインピーダンス（Zc）の理想式を導出し、
前記キャビティインピーダンスの前記導出された理想式に基づいてテブナン等価値を推定する、ラウドスピーカのテブナン等価値を推定する方法。
【請求項8】
前記キャビティインピーダンス（Zc）の前記理想式の導出は、第１及び第２刺激信号を生成し、
前記第１信号を処理し、
前記第２信号を事前調整し、
前記第１及び第２信号を前記キャリブレーション装置のキャリブレーション管内に交互に放出し、
インイヤマイク（ＩＥＭ）を用いて前記キャリブレーション管内の前記音圧を捕捉し、
前記捕捉したＩＥＭ信号に基づいて、前記音圧周波数レスポンスを推定することを更に含む、請求項７に記載のラウドスピーカのテブナン等価値を推定する方法。
【請求項9】
前記第１信号は正弦波信号である、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記第１信号の前記処理は、前記第１信号の音響波形とデジタル波形を同期させることを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記第１信号の同期は、前記第１信号を第１エンベロープでウィンドウ処理することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記第１信号の前記処理は、前記第１信号の前記待ち時間を推定することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項13】
前記第１信号の前記待ち時間によって決められたサンプルインデックスで開始する前記第２信号の時間平均化を実施することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記第２信号は、対数チャープ信号又は任意の広帯域刺激信号である、請求項８に記載の方法。
【請求項15】
前記第２信号の前記事前調整は、前記第２信号のフィルタリングを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項16】
前記フィルタリングは、直列接続された１つ以上の無限インパルスレスポンス（ＩＩＲ）ノッチフィルタを前記第２信号に適用することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記第２信号の前記事前調整は、前記第２信号のウィンドウ処理を更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項18】
前記ウィンドウ処理は、各サイクルの最初の所定数のサンプルと最後の所定数のサンプルにわたってフェードイン／フェードアウト関数エンベロープを使用することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記方法は、前記第２信号の時間平均化を実施することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項20】
前記音圧周波数レスポンスの前記推定は、前記ラウドスピーカに送信された前記事前処理された（デジタル）信号と前記捕捉されたＩＥＭ信号に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項21】
前記音圧周波数レスポンスの前記推定は、伝達関数を使用して、前記２つのＦＦＴ値の比を算出することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項22】
ラウドスピーカのテブナン等価値を推定するキャリブレーション装置であって、２つの刺激信号を生成するよう構成されたラウドスピーカと、
可変容積を有するキャビティと、
前記キャビティ内で前記ラウドスピーカによって発せられた前記音圧を測定するキャプチャデバイスと、
前記ラウドスピーカに接続され、前記刺激信号を処理するように構成されたシグナルプリプロセッサと、
前記キャビティ内で２つの刺激信号のうちの１つを放出するシグナルセレクタと、
キャプチャデバイスに接続され、前記捕捉された音圧に基づいて、前記キャビティ周波レスポンスを推定するように構成された、シグナルポストプロセッサと、を備えるラウドスピーカのテブナン等価値を推定するキャリブレーション装置。
【請求項23】
前記キャビティの前記容積を変えることのできるスライド可能なピストンを更に備える、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項24】
前記キャプチャデバイスは、インイヤマイクである、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項25】
前記プリプロセッサは、直列接続された１つ以上の無限インパルスレスポンス（ＩＩＲ）ノッチフィルタを備え、前記第２刺激信号のフィルタリングを行うように構成されている、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項26】
前記プリプロセッサは、各サイクルの最初の所定数のサンプルと最後の所定数のサンプルにわたるフェードイン／フェードアウト関数エンベロープを備える、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項27】
前記事前処理された刺激信号と前記捕捉された信号に接続された待ち時間推定器を更に備える請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項28】
前記ポストプロセッサは、前記ラウドスピーカに送信された前記事前処理された（デジタル）信号と前記捕捉されたＩＥＭ信号に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うように構成されている、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項29】
前記ポストプロセッサは、伝達関数を使用して、前記２つのＦＦＴ値の比を算出するように構成されている、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項30】
前記キャビティは、金属管である、請求項２２に記載のキャリブレーション装置。
【請求項31】
前記キャリブレーション装置は、異なる長さを有する５つの金属管を備える、請求項３０に記載のキャリブレーション装置。
【請求項32】
前記金属管は、真鍮からなる請求項３０に記載のキャリブレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本特許出願は２０２１年４月６日に出願された米国特許出願第63/171,147号「SYSTEM, DEVICE AND METHOD OF SIGNAL CONDITIONING FOR EARPIECE CALIBRATION」の優先権を主張し、その内容は本明細書に組み込まれる。
本特許出願は２０２１年４月６日に出願された米国特許出願第63/171,147号「SYSTEM, DEVICE AND METHOD OF SIGNAL CONDITIONING FOR EARPIECE CALIBRATION」の優先権を主張し、その内容は本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、イヤホンキャリブレーションのための信号調整システム、装置、及び方法に関する。より詳細には、本発明は、取得システムに必要なダイナミックレンジを低減する目的で広帯域キャリブレーション刺激を調整するシステム、装置、及び方法に関する。
【背景技術】
【0003】
聴覚保護プログラムがあるにもかかわらず、騒音誘発性難聴（ＮＩＨＬ）は、引き続き、職場での過度の騒音暴露による職業上の主要な問題となっている。音の知覚が失われると、コミュニケーションの問題、孤立、うつ病につながる可能性があるため、従業員や労働者の健康状態を定期的に評価し、厳格なフォローアップを行うことが引き続き重要である。
【0004】
本来、加齢によるものであるにもかかわらず、最近の研究では、若い頃の騒音暴露が時間の経過とともに悪化することがわかっており、騒音暴露が主な危険因子であることが示されている。過度の騒音暴露レベルは、音響刺激による電気神経信号の生成を担う器官である蝸牛の有毛細胞を損傷する可能性がある。したがって、蝸牛の外有毛細胞（ＯＨＣ）の大まかな健康状態の測定は、客観的な測定であり、個人の聴覚の大まかな健康状態を評価する最も正確な方法の１つである。この方法は、聴覚刺激を受けたときの個人の主観的な反応に依存する従来の検査に比べ、より信頼性の高いものである。ＯＨＣの大まかな健康状態を判断するために、耳音響放射（ＯＡＥ）として知られる低振幅の音響信号を測定する方法が開発されている。耳音響放射は、外耳道内の小型スピーカから発せられた外部刺激に蝸牛が晒されたときに発生する可能性がある。臨床では、イヤホン内の小型スピーカを使用して２つの純音音響刺激信号を外耳道に送信することでＯＡＥを誘発することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来のＯＡＥ測定は、外耳道内に配された高感度のインイヤマイクを用いて行われる。この測定は、客観的かつ迅速であり、被験者の積極的な参加を必要としない。
【0006】
騒音に暴露されている間、個人のＯＡＥの絶対値をモニタリングすることによって、暴露によって引き起こされる一時的な超過状態の変化を更に特定することができる。既知のＯＡＥ測定技術によれば、作業者の聴覚の健康状態を高い信頼性をもって評価することができるが、従来のＯＡＥ測定装置とその検査期間では、工場などの職場において蓄積された聴覚疲労を継続的にモニタリングすることができない。その代わりに、作業者は、時々聴力検査を受けるのだが、一度発生すると回復不可能である聴覚障害がその聴覚検査で判明することがよくある。
【0007】
設計通りの信頼性の高いＯＡＥの絶対値を得るためには、外耳道内の小型ラウドスピーカレスポンスを補償するためのＯＡＥ測定用のイヤホンの正確なキャリブレーションが必要となる。ただし、外耳道の形状は個人個人で異なり、イヤホンの挿入深さも異なるため、基本的なキャリブレーション方法では、イヤホン先端の位置と鼓膜との間の音圧差を正確に補正することができない。
【0008】
小型スピーカのテブナン推定を使用した、より精巧なキャリブレーション方法が、ＯＡＥ刺激キャリブレーションに使用されているが、この方法では、正確なテブナン推定のために歪を最小限に抑える必要があり、キャリブレーション信号を取得するための高性能なハードウェアが必要とされる。
【0009】
したがって、適切なＮＩＨＬリスク評価のために、必要な騒音測定基準を測定し、騒音暴露中に短い間隔で聴覚の健康状態を検査する装置用に、費用対効果が高く、実用的かつ信頼性の高いＯＡＥキャリブレーション方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
従来技術の問題点は、大抵、イヤホンのキャリブレーションを行う方法によって軽減される。この方法は、少なくとも１つのラウドスピーカのテブナン等価インピーダンスを算出し、推定した前記テブナン等価インピーダンスの関数として、外耳道の基準面における負荷インピーダンスを算出し、算出した前記負荷インピーダンスと測定した音圧レベルに基づいて、前記基準面において前記ラウドスピーカから発せられた前方圧力（Pforward）を推定し、前記推定された前方圧力レベルに基づいて、前記ラウドスピーカに適用される補正値を算出することを含む。
【0011】
前記手ブラン等価値の前記算出は、前記テブナン等価インピーダンス（Zs）及び前記音圧（Ps）を算出することを更に含むことができ、前記負荷インピーダンスの前記算出は、前記基準面における前記外耳道内の音圧（Pl）を測定し、前記基準面における前記インピーダンス（Zl）を以下の式によって算出することを更に含むことができる。
【数1】
【0012】
同様に、ラウドスピーカによって発せられた前記推定された圧力レベルの前記推定は、以下の式を用いて行ってもよい。
【数2】
【0013】
前記ラウドスピーカに適用される前記補正値の算出は、ゲインテーブルを使用し、ゲインテーブル内の特定の周波数における圧力レベルの目標値とPforward値との差を見つけることを更に含んでいてもよい。
【0014】
本発明の別の態様として、異なる周波数で音圧（P）を測定するキャビティを有するキャリブレーション装置を使用し、キャビティインピーダンス（Zc）の理想式を導出し、前記導出されたキャビティインピーダンスの前記理想式に基づいて前記テブナン等価値を推定することを含む、ラウドスピーカのテブナン等価値を推定する方法が開示されている。
【0015】
前記キャビティインピーダンス（Zc）の前記理想式の前記導出は、第１及び第２刺激信号を生成し（第１信号は正弦波信号であってもよい）、第１信号を処理し、第２信号を事前調整し、第１及び第２信号を前記キャリブレーション装置のキャリブレーション管内交互に放出し、インイヤマイク（ＩＥＭ）を使用して前記キャリブレーション管内の前記音圧を捕捉し、前記補足したＩＥＭ信号に基づいて前記音圧周波数レスポンスを推定することを更に含んでいてもよい。
【0016】
前記第１信号の前記処理は、前記第１信号の音響波形とデジタル波形を同期し、前記第１信号を第１エンベロープでウィンドウ処理し、前記第１信号の待ち時間を推定することを更に含んでいてもよい。
【0017】
更に、前記第２信号は、対数チャープ信号又は任意の広帯域刺激信号であってもよく、前記第２信号の前記事前処理は、前記第２信号のフィルタリング、直列接続された１つ以上の無限インパルスレスポンス（ＩＩＲ）ノッチフィルタを前記第２信号に適用し、各サイクルの最初の所定数のサンプルと最後の所定数のサンプルにわたってフェードイン／フェードアウト関数エンベロープを使用して、前記第２信号をウィンドウ処理することを含んでいてもよい。
【0018】
本方法は、前記第２信号の時間平均化を行うことを更に含んでいてもよく、前記音圧周波数レスポンスの前記推定は、前記ラウドスピーカに送信された前記事前処理された（デジタル）信号及び前記捕捉されたＩＥＭ信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、伝達関数を使用して２つのＦＦＴ値の比を算出することを含んでいてもよい。
【0019】
本発明の別の態様として、ラウドスピーカのテブナン等価値を推定するキャリブレーション装置を提供することができる。前記キャリブレーション装置は、２つの刺激信号を生成するように構成されたラウドスピーカと、可変容積を有するキャビティと、前記キャビティ内で前記ラウドスピーカによって発せられる前記音圧を測定するキャプチャデバイスと、前記ラウドスピーカに接続され、前記刺激信号を処理するように構成されたシグナルプロセッサと、前記２つの刺激信号のうちの１つを前記キャビティ内に放出するシグナルセレクタと、前記キャプチャデバイスに接続され、前記補足された音圧に基づいて前記キャビティ周波数レスポンスを推定するように構成されたシグナルポストプロセッサを備える。
【0020】
前記キャリブレーション装置は、前記キャビティの容積を変えるためのスライド可能なピストンを更に備えていてもよい。前記キャプチャデバイスは、インイヤマイクであってもよく、前記プリプロセッサは、直列接続され、前記第２刺激信号をフィルタリングするように構成された１つ以上の無限インパルスレスポンス（ＩＩＲ）ノッチフィルタを備えていてもよい。
【0021】
前記プリプロセッサは、各サイクルの最初の所定数のサンプルと最後の所定数のサンプルにわたるフェードイン／フェードアウト関数エンベロープを備えていてもよい。前記キャリブレーション装置は、前記事前処理された刺激信号及び前記捕捉された信号に接続された待ち時間推定器を備えていてもよく、前記ポストプロセッサは、前記ラウドスピーカに送信された前記事前処理された（デジタル）信号及び前記捕捉されたＩＥＭ信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うように構成されていてもよい。前記ポストプロセッサは、伝達関数を使用して２つのＦＦＴ値の比を算出するように構成されていてもよい。
【0022】
前記キャビティは、真鍮などからなる金属管であってもよく、キャリブレーション装置は、異なる長さを有する５つの金属管を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明に係るイヤホンを備えるオーディオウェアラブルデバイスの一実施形態を示す図であり、イヤホンは着用者の外耳道入口に配されている。
【図4】本発明に係るスピーカ音圧レベルに適用する補正値を算出する方法の一実施形態のブロック図である。
【図5】キャリブレーション装置内の信号の大きさ（dB）を周波数（Hz）の関数として示す図である。
【図6】本発明に係るキャリブレーション装置の写真である。
【図8】本発明に係るイヤホンから発せられる信号を調整する方法を示すブロック図である。
【図9】本発明に係るスピーカのテブナン等価値を推定するために、キャリブレーション装置内で生成される刺激を事前に調整する方法を示す概略図である。
【図10】本発明に係る捕捉されたレスポンス及び事前処理された信号とも言われる放出されたレスポンスの大きさ（dB）を周波数（Hz）の関数として示すグラフである。
【図11】異なるキャリブレーション方法によって捕捉されて補償されたレスポンス信号の大きさ（dB）を周波数（Hz）の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
イヤホンキャリブレーションのための信号処理のシステム、装置、及び方法について以下に説明する。システム、装置、及び方法は、特定の例示的な実施形態に関して記載されているが、本明細書に記載されている実施形態は単なる例に過ぎず、システム、装置、及び方法の範囲はそれによって限定されることを意図していないことを理解されたい。
【0025】
ＯＡＥレスポンス周波数は、刺激信号のスペクトルに基づいて、又は、周波数f1及びf2の２つの純音音響刺激信号を使用して算出される。
【0026】
図１に示すように、耳１０内では、蝸牛１１が捕捉された音を増幅して強くし、脳が効率的に解読できるようにしている。その際に、蝸牛１１は、内耳の基底膜（図示せず）に沿って自身も物理的振動を発する。耳に特定の刺激（例えば、２つの同時純音周波数）が与えられると、蝸牛１１によって歪成分耳音響放射（ＤＰＯＡＥ）がなされる可能性がある。ＤＰＯＡＥが蝸牛１１から基底膜の上方に移動すると、ＤＰＯＡＥは更に、蝸牛１１から逆方向に向かい、外耳道１２へと到達する場合がある。外耳道１２内にＤＰＯＡＥが確認された場合、蝸牛１１（より詳しくは蝸牛の増幅機能）が正常に機能していることを示す。ＤＰＯＡＥが確認されない場合は、蝸牛１１が機能していないか、機能不全に陥っており、難聴が生じている可能性を示す。このように、蝸牛１１により副産物として生成され、外耳道１２内で測定されたＤＰＯＡＥは、蝸牛１１の完全性を確認する有効な手段である。
【0027】
従来技術の装置では、イヤホンは、プローブマイクを備えていることが一般的であり、鼓膜１４においてＯＡＥ又はＤＰＯＡＥを直接測定し、直接測定値を得る。本発明のイヤホン１０２は、鼓膜１４で生じたＯＡＥ又はＤＰＯＡＥの直接測定値を得るために鼓膜１４に配置されるプローブを必要としないことが理解されよう。その代わりに、図２に示すように、イヤホン１０２のキャリブレーションは、外耳道１２の幾何学的形状に従って実行され、前方圧力（イヤホン１０２から遠ざかる方向に伝播する圧力波成分１９２からなる）と鼓膜１４から反射される後方進行波成分１９４とが区別される。
【0028】
様々な外耳道の形状（被験者毎に異なる）及びイヤホンの挿入深さ（被験者毎に異なる）を考慮し、本キャリブレーション方法は、ＤＰＯＡＥレベルの個体差による違いを最小限に抑えることを全体的な目的としている。
【0029】
イヤホンを備えるウェアラブルデバイス１００の具体例が図１に示されている。ウェアラブルデバイス１００は、蝸牛１１により生じ、鼓膜１４によって伝達される耳音響放射（ＯＡＥ）の測定に広く利用されている。ウェアラブルデバイス１００は、ユーザの耳１０の外耳道１２内に配される。本例では、ウェアラブルデバイス１００はイヤホン１０２を備えているが、他の実施形態として、ウェアラブルデバイス１００がイヤプラグ、耳内装置、又は、ユーザの耳１０の外耳道１２に音や騒音が知覚されるのを防ぐための他のタイプの装置を備えていてもよい。更に、イヤホン１０２は、外耳道１２の外側及び内側の音をそれぞれ捕捉することができるように配置及び配向された外部マイク（ＯＥＭ）１０４及び内部マイク（ＩＥＭ）１０６を備える。
【0030】
外部マイク（ＯＥＭ）１０４は、イヤホン１０２のタイプに応じて、耳１０の外側又は外耳道１２の外側の音や騒音などの外耳オーディオ信号を捕捉するように構成されていてもよい。内部マイク（ＩＥＭ）１０６は、イヤホン１０２のタイプに応じて、外耳道１２又は耳腔内でイヤホン１０２の下方又は後方（外耳道の内側）の音や騒音などの内耳オーディオ信号を捕捉するように構成されていてもよい。
【0031】
イヤホン１０２は、外部マイク１０４と内部マイク１０６の間の防音壁として機能する。イヤホン１０２と内部マイク１０６との間を密閉するように構成されたイヤチップ１０３をイヤホン１０２が備えていてもよい。イヤチップ１０３は、可鍛性プラスチック、ゴム、発泡体、又は遮音性を発揮する他の適当な材料から作製することができる。
【0032】
一実施形態によれば、ウェアラブルデバイス１００は、既知の周波数f1及びf2で外耳道内に純音刺激信号を放出するように配置された２つの内部ラウドスピーカ（ＳＰＫ）（１０８ａ及び１０８ｂ）を備える。純音刺激信号が外耳を通過すると、鼓膜１４は小骨によって振動を蝸牛に１１に伝える。すると、蝸牛１１は音を増幅し、増幅された刺激信号は聴覚神経を介して脳に伝わる。f1及びf2刺激は、非線形蝸牛増幅処理によって増幅及び／又は圧縮され、歪み積、つまり、ＯＡＥが生じる。ＯＡＥはＩＥＭ１０６によって捕捉される。歪み積の周波数は、fdp = [2f1 - f2, 2f2 -f1, 3f1 - 2f2, 3f2 - 2f1, 4f1 - 3f2, …]となる。当然のことながら、他の種類の歪み積と同様に、エネルギーの大部分は一般に最初の歪み積（fdp = 2f1 - f2）に集中する。従来技術では、２つの刺激周波数間の比f2/f1 = 1.22が周波数スペクトルの大部分ではＤＰＯＡＥレベルが最適となる傾向があるが、テストされたf2周波数に応じて比率を変えると、よりよい結果が得られることが示されている。
【0033】
内部ラウドスピーカ１０８ａ及び１０８ｂのうちの一方又は両方は、音源（図示せず）に接続されていてもよい。ＩＥＭ１０６は、内部ラウドスピーカ１０８ａ及び１０８ｂによって発せられた刺激により外耳道内で生じる音波信号（すなわち、耳音響放射原音）を捕捉できるように配置される。なお、外耳道１２内で生成される信号には、刺激と、その刺激に応じて耳１０の蝸牛１１により生じるＯＡＥとが含まれる。反射音信号の特性は、外耳道１２の形状及び容積、イヤホン１０２の音響特性、及びイヤホン１０２の密閉度合に依存する。
【0034】
図２には、ウェアラブルデバイス１００を使用して耳内を伝播する波動成分が示されている。ＩＥＭで測定される総音圧レベルは、音源から遠ざかるように伝播する圧力波成分１９２と鼓膜から反射される後方進行波成分１９４とを含む前方圧力を含む。
【0035】
前方圧力成分推定処理２００は、鼓膜位置（SPLterminal）における音圧レベルの測定と同等の刺激レベルについて各個人に合わせたキャリブレーションを提供することを目的としている。SPLentranceは、外耳道１２内の基準面１０７又はキャビティの入口においてイヤホンＩＥＭ１０６で測定された音圧レベルである。ＦＰＬは、外耳道内の基準面１０７におけるＩＥＭ１０６から推定することができる。
【0036】
前方圧力レベル（ＦＰＬ）キャリブレーション処理による前方圧力の推定によれば、基本的な音圧レベルの補償よりも鼓膜における刺激レベルのより正確な推定が可能となる。このキャリブレーションにより、波成分１９２と１９４の定常波の位相干渉による測定誤差を減少させることができる可能性がある。ひいては、より正確なキャリブレーション処理により、より高い周波数でのＤＰＯＡＥの絶対値の精度が向上する。ＦＰＬは、反射された圧力レベル成分を除いた、音源の放出された圧力レベル成分の推定値である。
【0037】
図３及び図４に示すように、前方圧力成分推定方法２００は、ラウドスピーカ（１０８ａ及び１０８ｂ）のテブナン等価値を算出する工程２１０と、推定されたテブナン等価インピーダンスＺｓの関数として不可インピーダンスＺｌを算出する工程２２０と、外耳道１２内のラウドスピーカ１０８によって発せられた推定圧力レベル（Pforward）を算出する工程２３０と、ラウドスピーカ１０８に適用される補正値を算出する工程２４０と、を含む。図３のテブナン等価回路において、Zsはラウドスピーカ（１０８ａ又は１０８ｂ）のインピーダンス、Psは音源の音圧項、Plは負荷圧力レスポンスである。
【0038】
一実施形態においては、テブナン等価値は、ウェアラブルデバイス１００のプロセッサ１２０によって決定され、ＩＥＭ１０６によって受信された音波信号の測定値を受信して処理するように構成されていてもよい。
【0039】
ラウドスピーカ（１０８ａ又は１０８ｂ）のテブナン等価値算出工程２１０は、金属管をキャリブレーションキャビティとして使用し圧力（P）を測定するステップ２１２と、キャビティインピーダンスZcの理想式を導出するステップ２１４と、テブナン等価値を算出するステップ２１６と、を含む。
【0040】
プローブラウドスピーカインピーダンス（Zs）のテブナン等価値の算出は、キャリブレーション装置１５０を使用した異なる周波数での音圧（Pm）測定を含んでいるか、それに係るものであってもよい。キャリブレーション装置１５０は、特定の共振周波数に対する既知の長さを有し、一端が閉じた先端となっている１つ以上の金属管又は管１６０を備える。閉じた先端は、硬く閉じられていることが好ましい。好ましい実施形態としては、キャリブレーション装置１５０は５つの管１６０を備える。管１６０は、キャリブレーションキャビティとして使用される。キャビティの長さは、通常、キャビティの数及びプローブラウドスピーカ（１０８ａ又は１０８ｂ）のレスポンスに基づいて決められる。好ましくは、キャビティの波長は、図５に示すように、スピーカの周波数レスポンスの最大範囲を網羅できるよう、複数のキャビティのピーク共振及びヌルの重なりが最小限となる波長が選択される。
【0041】
図６及び図７には、キャリブレーション装置１５０の管１６０が例示されている。上述したように、管１６０は、ウェアラブルデバイス１００とは別個に、内部ラウドスピーカ１０８のテブナン等価値を推定するために使用される。キャリブレーション装置１６０は、容積が可変又は異なる内部音響キャビティ又はチャンバ１６２を備える。容積が異なることで、特定の周波数の信号に対するキャビティ１６２内の音圧レベルの周波数レスポンスが変化する。音圧レベルは、異なる周波数で、又は各キャビティの容積に対する周波数範囲で測定することができる。
【0042】
特定の実施形態として、キャリブレーション装置１５０は、それぞれが異なる容積を有する複数の共振管１６０を備えていてもよい。管１６０は、外耳道１２の内径と同じかそれに近い内径を有する。管１６０は、円筒形であることが好ましいが、当業者であれば、他の形状を有する管１６０が使用されてもよいことは理解できるであろう。
【0043】
他の実施形態として、管１６０はピストン１６４を備える。好ましい実施形態では、管１６０は７．９ｍｍの有効内径を有し、ピストン１６４は、管１６０の内面１６６に沿って密閉状態でスライドするか、ぴったり合う外径を有していてもよい。これによれば、キャリブレーション管１６０内のキャビティは調節可能となっており、管１６０内でピストン１６４をスライドさせることによって変えることもできる。管１６０及びピストン１６４は、真鍮などの任意の適切な材料から作製することができる。他の実施形態として、管１６０は機械加工されたアルミニウム、又は管１６０とピストン１６４の相対運動を可能にしつつ、管１６０とピストン１６４がぴったり嵌った状態を維持することができる任意の他の金属から作製されていてもよい。
【0044】
キャリブレーション装置１５０の管１６０のうちの１つに、デバイス１００のイヤチップ１０３の一部又は全体が挿入されていてもよい。好ましい実施形態として、イヤチップ１０３は、音漏れを最小限に抑えるために密閉するように、管１６０内に取り付けられていてもよい。このような構成によれば、内部ラウドスピーカ１０８によって発せられる音は、キャリブレーション装置１５０の管１６０のうちの１つの中で共鳴する。
【0045】
キャビティインピーダンスZcの理想式の演算には、以下の方程式が使用される。
【数3】
【0046】
ここで、Z0は管１６０内を伝播する平面波の特性インピーダンス、Lはキャビティの長さ、ｋは波数である。
【0047】
特性インピーダンスは、次のように算出されることが好ましい。
【数4】
【0048】
ここで、pは空気の密度、cは音速、Aは管１６０の断面積である。
【0049】
空気の密度（p）及び音速（c）は、環境条件に依存する。このような定数は、キャビティ内の温度の関数として近似することができる。温度は、赤外線温度センサを使用してキャビティ内で測定することができる。テブナン等価値を及びその結果として得られるＦＰＬ推定値の最適精度を保証するためには、キャビティ内の圧力と温度の測定は、インイヤキャリブレーション処置と同日又は数時間以内に実行する必要がある。
【0050】
テブナン等価値の推定２１６は、各周波数について以下の方程式のPs及びZsを解くことによって行われる。
【数5】
【0051】
ここで、Zcmは上記算出したm番目のキャビティのインピーダンス、Pmはこのキャビティ内で測定された圧力である。Ps及びZsはそれぞれソース圧力とソースインピーダンスのテブナン等価値である。
【0052】
方法２００は更に、推定テブナン等価インピーダンスZsを使用して負荷インピーダンスZ1を算出するステップ２２０を含む。負荷インピーダンスは、外耳道の基準面で測定される外耳道インピーダンスである。負荷インピーダンスZ1を算出するステップ２２０は、ユーザの外耳道内の音圧（P1）を測定するステップ２２２と、次の方程式を使用してZ1の算出をするステップ２２４を含む。
【数6】
【0053】
明確にするために、管１６０は、テブナン等価の推定２１６のためのみに使用される。音圧（P1）は、外耳道内に配置されたＩＥＭ１０６を使用して測定される。P1の測定値に基づいて、負荷インピーダンスZ1の算出をすることができる（２２０）。
【0054】
ＦＰＬを推定する方法は、次の方程式を使用して、外耳道内でラウドスピーカ１０８によって発せられる推定圧力レベル（Pforward）を算出するステップ２３０を更に含む。
【数7】
【0055】
ここで、Plは、外耳道１２内の負荷の圧力（すなわち、全音圧）であり、Z1は、抵抗素子と反応素子の両方によって決定される負荷インピーダンスであり、P1とZ1は両方とも周波数固有である。
【0056】
図２に示すように、Pforward値は、蝸牛に向かって移動する成分１９２を表し、P1圧力レベルは蝸牛に向かって移動する成分１９２と外耳道の入口に向かって移動する成分１９４の組み合わせを表す。
【0057】
Pforward値は、スピーカ１０８に適用される補正値を算出するステップ２４０で使用される。いくつかの実施形態では、ゲインテーブルを使用してキャリブレーションが行われる。このように、特定の刺激周波数については、ゲインテーブルの特定の周波数における圧力の目標値とPforward値との差を見つけることによって補正値が算出される。
【0058】
異なる周波数の補正値を算出するためのゲインテーブルの例を以下に示す。
【表1】
【0059】
ＦＰＬキャリブレーション法は、５つのキャビティすべての圧力を測定するといった異なるステップやテブナン推定値の歪みを最小限に抑えるための特定のハードウェア（例えば、特別なプローブ設計や高品質サウンドカード）を必要とする。
【0060】
図８及び図９に示すように、いくつかの実施形態では、ラウドスピーカ１０８のテブナン等価を推定する方法３００が提供される。このような方法３００は、テブナン等価値を算出するために、信号の歪みを最小限に抑え、デバイス１００のＩＥＭ１０６信号に必要なダイナミックレンジを低減することを目的とする。この方法は、信号生成及び処理工程３１０、信号事前調整工程３２０、ＩＥＭ１０６を使用して信号を捕捉する工程３３０、及び音圧周波数レスポンス推定工程３５０を含む。
【0061】
信号処理工程３１０は、第１信号、好ましくは正弦波信号を生成するステップ３１１を含む。処理工程３１０は、第１刺激信号の最初の２サイクルを使用するなど、音響波形とデジタル波形を同期させるステップ３１２を更に含むこともできる。小型ラウドスピーカ１０８による第１信号の生成ステップ３１１とＩＥＭ１０６により信号を記録するステップ３１４との間の僅かな遅延を考慮すると、同期が必要である。同期ステップ３１２は更に、例えば、図９に示すように、エンベロープ１でウィンドウ処理された３ｋＨｚの正弦波を使用して第１信号を第１エンベロープ（すなわち、エンベロープ１）でウィンドウ処理するステップ３１３を含んでもよい。エンベロープは、高速ゼロクロスによって引き起こされる高周波、つまりリンキングの生成を軽減し、待ち時間の推定を強化するのに役立つ。この正弦波周波数は、閉塞されたキャビティ内の反射波による構造的な干渉の可能性を最小限に抑えるために、管１６０のすべてのキャビティ長に対して選択される。
【0062】
処理３１０は、信号の待ち時間を推定するステップ３１５を更に含む。待ち時間推定ステップ３１５は、第１（デジタル）刺激信号とＩＥＭ１０６で捉えられた信号との間の相互関係を使用して実行される。この待ち時間は、図９に示すように、時間平均化アルゴリズムの遅延（D）を使用して補償され、キャビティ周波数レスポンスを推定する。
【0063】
処理３１０は、対数チャープ信号などの第２信号を生成するステップ３１６を更に含む。この処理は、第２信号を使用して管１６０のキャビティ内のレスポンスを識別するステップ３１７を更に含む。レスポンスを識別するステップ３１７は、広帯域周波数レスポンスの歪みを最小限に抑え、高周波レスポンスを最大にし、及び／又はスピーカ１０８のロールオフを補償することを目的とする。好ましくは、レスポンスを識別するステップ３１７は、２つの同期サイクルに続き１０サイクルなど、同期サイクルに続く所定数のサイクルを使用する。
【0064】
方法３００は、第２信号事前調整工程３２０を更に含む。事前調整工程３２０は、ラウドスピーカ１０８によって発せられる第２信号をフィルタリンスするステップ３２１及びウィンドウ処理するステップ３２２を含む。フィルタリングステップ３２１及びウィンドウ処理ステップ３２２は、ラウドスピーカ１０８によって発せられる第２信号の音響信号の大きさを保証することを目的とする。閉塞されたキャビティと共鳴のピークは記録されたＩＥＭ信号を飽和させず、最適なダイナミックレングを実現するために共鳴のヌルが記録システムのノイズフロアよりも上にあることを保証する。フィルタリングステップ３２１は、直列接続された１つ以上の無限インパルスレスポンス（ＩＩＲ）ノッチフィルタを第２信号に適用することを含んでいてもよい。好ましくは、ノッチフィルタは、選択されたキャビティの共振周波数の第１高調波に中心周波数を有し、これは波長λの音響長で推定される。一例として、中心周波数が、第１のキャビティの第１のノッチフィルタについてはfcla≒2kHzに設定され、第２のノッチフィルタについてはfclb≒4.2kHzに設定される場合、放射レスポンスは、図１０のようになる。第２信号ウィンドウ処理ステップ３２２は、例えば、各サイクルの最初の所定数のサンプルと最後の所定数のサンプル、例えば最初と最後の約５０個のサンプルにわたってフェードイン／フェードアウト関数エンベロープ（エンベロープ２）を使用することを含んでいてもよいが、これに限定されない。
【0065】
方法３００は、ＩＥＭ１０６を使用して管１６０内の信号M(n)を捕捉するステップ３３０を更に含む。
【0066】
信号処理工程３１０は、第２信号の時間平均化を行うステップ３４０を更に含む。第２信号の平均化は、待ち時間Dに同期サイクルの数を加えて示されるサンプルインデックスで開始する。
【0067】
方法３００は、音圧周波数レスポンスを算出する工程３５０を更に含む。音圧周波数レスポンス算出工程３５０は、典型的には、ラウドスピーカへ送信されたデジタル信号S3(n)及び捉えられたＩＥＭ信号M(n)に対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実施するステップ３５２を含む。音圧周波数レスポンス算出工程３５０は、伝達関数推定を使用して２つのＦＦＴ値の比を算出するステップ３４６を更に含む。
【0068】
２つの信号は、１０Ｈｚと２０，０００Ｈｚの範囲の間の周波数、又は任意の他の適切な周波数範囲を有するホワイトノイズ又はチャープ、すなわちサインスイープ信号を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、ホワイトノイズ又はチャープは、約１０秒の継続時間、又はプロセッサが伝達関数を決定できるようにするのに十分な他の任意の継続時間を有していてもよい。
【0069】
図１１には、ＯＡＥ測定プローブを使用して取得された捉えられた周波数レスポンスの大きさを示す比較試験結果が示されている。図１１に示されるように、上述した方法を使用して得られた前方圧力（ＦＰＬで表される）と、鼓膜１４を表すキャビティ１６０の反対端の音圧レベル（管補正を伴うSPLterminalで表される）との間の実質的な一致が確認できる。更に、これらの値は、基準面１０７、すなわち、キャリブレーション管１５２の入口（SPLentranceで表される）で捉えられた実際の測定値から乖離している。
【0070】
以上、本発明の現時点での好ましい実施形態を例示し、詳細に説明したが、本発明の概念はその他の方法で様々に具体化し、使用することが可能であり、添付の特許請求の範囲には、先行技術によって制限されない限り、そのような変形が含まれるものと解釈されることを理解されたい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】