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技術解説

従来のヘッドホン再生では、スピーカで再生する信号そのものを入力信号とするため、本来の音場で聞いているときに加わる方向情報(HRTF)が左右の音に加わらない結果、再生音像が頭の中にこもったり(頭内定位)、音の方向感が出ないという点で、充分な臨場感を得ることができませんでした。

一方人間は、音源から左右の耳に入る音の強弱と時間の微妙なズレによって、一種の三角測量によりその音の発生源を認識することができます。この原理を応用したものにバイノーラル収音再生方式※5があり、ダミーヘッドマイクロホンと呼ばれる人形型マイクロホンを用いるもので、通常我々が音を認識している状態とよく似た方式です。

この場合、音源から両耳までの特性を頭部伝達関数(HRTF: Head Related Transfer Function)と呼び、再生音像を頭の外側に感じ、かつ方向感や距離感(頭外定位)を認識するのに重要な特性で、インパルスレスポンス(HRIP)としても表現されます。
下の特性がHRIPの例で、音源からダミーヘッドマイクロホンまでの特性を表しています。

ソニーが開発したバーチャルホンテクノロジー(VPT:Virtualphones Technology) は、このバイノーラル方式の原理を巧みに応用してさらに改良を加えたもので、音像の頭外定位化と、ヘッドホン再生でありながら、あたかも前方や後方に置いたスピーカからの音を聴いているような音場再生を、小型の電子装置で実現することに成功しました。

 

頭部伝達関数(HRTF: Head Related Transfer Function)

この方式は原理的に再生する音源のチャンネル数は無限であり、このヘッドホンシステムを用いることにより、ホームシアターやホールの常に最適な位置(王様の席)で映画や音楽などを鑑賞することが可能となります。

※5バイノーラル収音再生方式

2ch.ステレオ録音をする際に、ダミーヘッドマイクロホンという人形型マイクロホンを用いると、イヤホン(ヘッドホン)で再生しても頭の中に音像がこもらず(頭内定位せず)、臨場感豊かな再生効果を楽しむことができます。これがバイノーラル収音再生方式と呼ばれるもので、ソニーではこの方式の可能性について着目し、研究開発を続けてきました。

バイノーラルシステム

この方式の利点は、前に述べたようにヘッドホン再生でありながら、上記の素晴らしい臨場感と音の方向定位が可能なことです。一方欠点としては、①肝心の前方向では、明瞭な距離感と方向定位が得にくい事。②またこの方式で収音した音は、スピーカで再生すると甲高い音色付けがなされ、ヘッドホン再生用とスピーカ再生用のソースが別々に必要になる、というものでした。これら欠点が、優れた特徴を持っているにもかかわらず、この収音再生方式に長い間市民権が得られなかった大きな理由でした。
ソニーでは、①の欠点を取り除くために、音響心理、聴覚理論の研究を行い、またヘッドトラッキング技術※6などのソニー独自の技術を開発し、リアルな前方定位を可能としました。

一方②の欠点に関しては、リスニングルームで受聴した場合に相当する特性をデジタル信号処理で付加する、すなわち良い音の再生音場で聞いているのと等価な音場情報、および方向情報(HRTF)をコンボルーションという信号処理手法によりDSPで付加することで解決しました。その結果、ダミーヘッドの置かれた種々の音場を、電子回路の中で実現することに成功しました。

※6ヘッドトラッキング技術

従来ヘッドホンで再現された音場は、頭の向きが変わるとそれに合わせて音場自体も動いてしまうという課題がありました。VIP-1000、MDR-DS8000では、ヘッドホン部に搭載したジャイロセンサーが頭の回転角度を検出、その角度をもとにDSPが固定された音場に なるようデータを修正します。すなわち頭の動きに同期させて、音源から両耳までのHRIRをリアルタイムで補正をします。

2ch.の場合のヘッドトラッキング原理図


その結果、ヘッドホンをかけたまま横を向いても音場はそのままで、多チャンネルスピーカー を 実際の音場で聴いているようなリアルなサラウンド音場の臨場感を楽しむことができます。
これを聴覚生理の観点から述べると、頭部の運動中枢に対する聴覚への音刺激が、クローズドループになるためです。

上記ヘッドホンで、ヘッドトラッキングスイッチをON/OFFすることにより、頭部運動が音の定位に 大きく寄与しているということが確認できます。

ヘッドトラッキング技術の原理

この原理を別の観点から説明すると、前に述べたように人間の聴覚は、音源と両耳による一種の三角測量の原理で方向や距離まで感じることができます。しかし頭が回転した場合、本来はこれらの特性も同期して変わらないと矛盾が生じるため脳が混乱し、音像はその場所に固定したり、頭内に定位するようになります。
従来のヘッドホンステレオ再生で、再生音像が頭内に感じられる原因の一つです。

この場合でも壁からの反射波構造等を工夫し、また映像が存在しますと音像を前方に固定する効果が生じ、頭外に出たままにすることができます。しかし映像なしの音のみの再生では音像は頭内に入りがちであり、これを突破するのがヘッドトラッキング技術です。
これは頭の動きを常に検出し、リアルタイムで音源から両耳までの特性を補正する事により、常に正確な三角測量を継続できることから、明瞭な前方定位感を得ることができます。この場合の頭部回転検出には、圧電振動ジャイロが用いられました。

ヘッドトラッキングの効果例