ノイズキャンセリングとは? 音で音を消すしくみ

身近なところでは

ワイヤレスイヤホンやヘッドホンには、「ノイズキャンセリング」のボタンがついたものがあります。電車でこれを入れると、走る音の「ゴー」という響きが急に小さくなります。音楽を流していなくても、耳の周りが静かになります。

ところが、隣の人の話し声や、駅のアナウンスはまだ聞こえます。消える音と、消えにくい音があるのです。この記事では、その違いがどこから来るのかを、音の正体から順に見ていきます。

音は、空気の圧力の小さな揺れ

音は、空気がわずかに押し縮められたり、薄くなったりする揺れです。この揺れが、空気の中を波として伝わります。耳の奥の鼓膜は、届いた揺れに合わせて動き、それを私たちは音として感じます。

揺れが1秒間に何回くり返されるかを、周波数と呼び、単位はHz(ヘルツ)です。回数が少ないほど低い音、多いほど高い音に聞こえます。電車や飛行機のエンジンの響きは主に低い音です。人の声の聞き取りに大切な成分や、食器が当たる音は、より高い音です。

音の大きさは、dB(デシベル)という目盛りで表します。聞こえる限界の音に比べて、音の強さが10倍になるごとに10 dBずつ増える数え方です。くわしくは「デシベル(dB)とは?」で説明しています。

揺れはとても小さなものです。かなりうるさい80 dBの音でも、圧力の揺れは約0.2 Pa(パスカル、圧力の単位)です。まわりの気圧(約10万1300 Pa)の、約50万分の1しかありません。

2つの防ぎ方: ふさぐか、音で消すか

騒音を減らす方法は、大きく2つあります。1つめは、耳栓や、耳をすっぽり覆うイヤーカップのように、音の通り道を物でふさぐ方法です。これをパッシブ(受け身の)ノイズキャンセリング、または遮音と呼びます。電気は使いません。

ふさぐ方法は、高い音によく効きます。一方、低い音は、薄い壁や耳栓を揺らして通り抜けやすいため、減らしにくい音です。低い音までふさごうとすると、重く厚い覆いが必要になります。

2つめが、この記事の主役のアクティブ(能動的な)ノイズキャンセリングで、英語の頭文字からANCとも呼びます。騒音そのものに、それを打ち消す音をぶつけます。ふさぐのが苦手な低い音を、こちらで受け持ちます。実際の製品は、2つを組み合わせて使っています。

しくみ1: 山と谷が逆の波を重ねる

2つの音の波が同じ場所に来ると、圧力の揺れは足し算になります。山と山が重なれば揺れは大きくなり、山と谷が重なれば打ち消し合います。湖で、2つの波紋がぶつかる所を思い浮かべてください。

波が今、1回の揺れのどの段階にいるか(山か、谷か、その途中か)を、位相と呼びます。騒音とちょうど山と谷が入れ替わった波は「逆位相の波」です。騒音と同じ大きさの逆位相の波を耳の中で重ねれば、合計の揺れはほぼ0になります。

大切なのは、打ち消すには「大きさ」と「タイミング」の両方が合っている必要があることです。逆の波が少し遅れたり、大きすぎたりすると、消え残りが出ます。逆の波が揺れ半回分ずれると、今度は山と山が重なり、騒音を大きくしてしまいます。

しくみ2: マイク → チップ → スピーカー

逆の波は、イヤホンの中の部品が流れ作業で作ります。まず、外側の小さなマイクが騒音を拾い、圧力の揺れを電圧の揺れに変えます。小さなマイクのしくみは「MEMSとは?」でも紹介しています。

次に、電圧を数字に直します。この働きをする回路をADコンバータ(ADC)と呼びます。数字にしておけば、決まった手順の計算で、波の形を自由に作り直せます。

数字になった騒音を受け取り、逆の波を計算するのが、DSP(デジタル信号処理用のプロセッサ)です。DSPは、決まった形の掛け算と足し算を、とても速くくり返すのが得意なチップです。

計算した数字は、DAコンバータ(DAC)で電圧の波に戻し、スピーカーを鳴らします。スピーカーは、音楽と一緒に逆の音も出します。こうして、外から漏れてきた騒音と逆の音が耳の中で重なります。電圧と数字を行き来する回路のしくみは、「アナログ半導体とは?」で詳しく説明しています。

逆の波を作る計算でよく使われるのは、マイクから届いた直近のいくつかの数字に、それぞれ重みを掛けて足し合わせる方法です。この計算方法をFIRフィルタと呼びます。耳への付け方や騒音の種類は刻々と変わるので、重みを少しずつ直し続ける方式もあります。ここでは計算の中身は簡単にし、詳しい式は省きます。

しくみ3: 外のマイクと、中のマイク

マイクを置く場所には、2つの考え方があります。1つは、イヤホンの外側にマイクを置き、騒音が耳に届く前に聞いて、逆の音を前もって作る方法です。これをフィードフォワード方式と呼びます。結果を確かめずに、予測で先回りする方法です。

もう1つは、スピーカーのすぐ近く、耳の中にマイクを置く方法です。このマイクは、打ち消した後に残った音を聞きます。残りが小さくなるように、逆の音を直し続けます。結果を測って直すこのやり方をフィードバック制御と呼び、ANCではフィードバック方式と呼びます。

2つには得意・不得意があります。外のマイクは先回りできますが、耳の中で本当に消えたかはわかりません。中のマイクは結果を確かめられますが、直す力を強くしすぎると、音が「ピー」と鳴り続けるように不安定になります。そのため、両方を組み合わせる製品があります。例えばAppleは、外向きと内向きのマイクの両方で逆の音を作ると説明しています。2つの制御の違いは「開ループ制御と閉ループ制御の違い」で比べています。

しくみ4: 音より先に計算を終える

ANCで最も厳しいのは、時間です。空気中の音の速さは、20 °Cで秒速約343 mです。1ミリ秒(1000分の1秒)では約34 cm、1マイクロ秒(100万分の1秒)では約0.3 mm進みます。

外のマイクから鼓膜までは、イヤホンでは数cmほどです。仮に3 cmとし、音がまっすぐ進むとすると、そこを約90マイクロ秒で通り抜けます。フィードフォワード方式では、この短い間に、ADC → DSP → DAC → スピーカーの全部を終える必要があります。間に合わなければ、逆の波は「遅れた逆の波」になり、うまく打ち消せません。

そのため、ANC用のチップは、入ってから出るまでの遅れを特に短くしています。例えば、Analog Devicesのチップ(ADAU1787)は、ANC向けの近道を備えています。計算を省いた設定では、入口から出口までの遅れは5マイクロ秒です。音が約1.7 mm進む時間です。チップの説明書では、この種の遅れを群遅延と書くことがあります。

なお、Bluetoothでスマホから音楽が届くまでの遅れは、これとは別の話です。ANCはイヤホンの中だけで計算が完結するので、電波の遅れの影響を受けません。Bluetoothの遅れは「Bluetoothのしくみとは?」で説明しています。

低い音は消え、声や高い音が残る理由

同じ遅れでも、低い音と高い音では影響がまったく違います。1回の揺れにかかる時間は、100 Hzの低い音なら10ミリ秒、5 kHz(5000 Hz)の高い音なら0.2ミリ秒です。逆の波が0.1ミリ秒遅れたとき、100 Hzでは揺れ1回の1%のずれで済みます。5 kHzでは半回分のずれになり、山と山が重なって、かえって大きくなります。

計算で確かめると、0.1ミリ秒の遅れで、100 Hzの揺れの幅は約16分の1になります。音の強さでは約250分の1(約−24 dB)です。1 kHzでは揺れの幅が約0.6倍(約−4 dB)にしかなりません。ここでは、逆の波の大きさはぴったりで、遅れだけがあるとして計算しました。

場所の問題もあります。音が1回揺れる間に進む長さを、波長と呼びます。100 Hzの波長は約3.4 m、5 kHzでは約7 cmです。波長の長い低い音は、耳の周りのどこでもほぼ同じ揺れ方をするので、まとめて打ち消せます。波長が短い高い音は、数mmずれただけで揺れ方が変わり、耳の中の全体で消すのが難しくなります。

急な音も苦手です。食器の「カチャン」やドアの「バタン」は、いきなり始まり、高い音を多く含みます。一方、エンジンや走行音のように同じ調子で続く音は、少し先の揺れまで見込みやすく、重みの調整も追いつきます。こうした理由から、高い音はANCに頼らず、イヤーピースやイヤーカップでふさぐ力に任せています。

外の音を聞く「外音取り込み」モード

ANCのついた製品には、反対に外の音を聞きやすくするモードを備えたものもあります。メーカーにより、外音取り込み、アンビエント、トランスペアレンシーなどと呼びます。外のマイクで拾った音を、打ち消すのではなく、そのままスピーカーから流します。

イヤホンで耳をふさいだままでも、駅のアナウンスや人の呼びかけが聞こえます。Appleの説明では、このモードは外の音を取り込み、周りで何が起きているかを聞けるようにするものです。ただし、道を歩くときや自転車に乗るときは、外の音を聞き逃さないよう、使い方に注意が必要です。

風の音と、耳が詰まったような感じ

ANCをつけて外を歩くと、風の「ボボボ」という音が目立つことがあります。風がマイクに直接当たると、空気の乱れがマイクを揺らし、大きな低い音として拾われます。これは耳に届く騒音とは別の揺れなので、それに合わせて逆の音を作ると、かえって雑音を足してしまうことがあります。Sonyも、ANCを使うときの風の音を減らす設定や対策を案内しています。

ANCを入れたとき、耳が詰まったような、気圧が変わったような感じがする人もいます。ただ、ANCが打ち消すのは音の小さな揺れで、先に見たとおり気圧の50万分の1ほどです。鼓膜を押し続けるような圧力を作るわけではありません。この感じ方には個人差があり、研究も少なく、原因はまだ確かめられていません。気になるときは、ANCを弱めるか、休憩を挟みましょう。

ノイズキャンセリングの歩み

逆の音で音を消す考え方は、イヤホンよりずっと古いものです。ドイツのポール・ルーグ(Paul Lueg)は、管の中などの音を逆の波で消すしくみを考えました。1936年に、米国で特許を得ています。ただ、当時の部品では製品にできませんでした。

1950年代には、米国のローレンス・フォーゲル(Lawrence J. Fogel)が研究を進めました。航空機やヘリコプターの騒音の中で、通信を聞き取りやすくするためです。その特許(米国特許第2,966,549号)は1950年代に出願され、1960年に登録されています。題は「騒音の大きい場所で、聞き取りを良くする装置」です。

製品に結びつけたのが、米国の音響メーカーBoseです。同社の年表によると、創業者のアマー・ボーズは1978年、機内の騒音に悩み、研究を思い立ちました。1986年には、無給油の世界一周飛行に挑んだ飛行機「ボイジャー」の操縦士に試作品を提供しました。1989年に航空用のヘッドセットを発売し、2000年に一般向けのヘッドホンを出しています。その後、チップが小さく省電力になり、今ではイヤホンにも入るようになりました。

よくある誤解

数字で見る

ANCで減る量は、製品や耳への合い方で大きく変わります。表の1992年の評価では、ANCの働きだけで最大15〜22 dB減りましたが、高い音はほとんど変わりませんでした。20 dBは、音の強さが100分の1になることです。音の強さが10分の1(−10 dB)になると、大きさの感じ方は約半分になるという目安があります。dBの数字の読み方は、先に挙げた「デシベル(dB)とは?」を参照してください。

もっと詳しく学ぶ

• 用語: フィードバック制御 / FIRフィルタ / 群遅延 / ΔΣ型ADC(音声用に多い、細かく数字に直すADC)
• 違いを表で見る: FIRフィルタとIIRフィルタの違い / 開ループ制御と閉ループ制御の違い
• 数字で試す: dB・dBm換算ツール / ADCのSN比・ENOBの計算ツール
• 関連する解説: 「アナログ半導体とは?」 / 「オペアンプとは?」(負帰還のしくみ) / 「Bluetoothのしくみとは?」 / 「スマホの中の半導体」