ノイキャンとマスキング 消す・覆う・届ける6章

ホワイトノイズマシンを置くと、隣の話し声が気にならなくなるといいます。ノイズキャンセリングのように音を打ち消しているのかというと、やっていることは逆で、音を足して覆っています。逆位相で消す方法が効くのは打ち消した点のまわりの狭い範囲だけで、部屋全体の話し声には足して覆う方法しか届きません。反対に、騒がしい中で自分の声を届けたいときは、音量を上げる前に声の形を変える方法があります。消す・覆う・届けるの3つの立場で、どこに線が引かれるのかを確かめます。第1・2章は理想条件のシミュレーション、第3〜6章は音声認識を聞き手にした測定です。

読み終えるとできること

• 気になる音が低くて一定ならノイキャン、話し声のように部屋全体から来るならマスキング、と数字の裏づけつきで選べます。部屋に置いたスピーカーの逆位相で静かになるのは、2kHz で直径 2.6cm までです
• 逆位相の打ち消しがどれだけ崩れやすいかを見積もれます。タイミングが 5度ずれると音は10分の1ほど残り、60度ずれるとまったく効きません
• 話し声を隠すノイズの色を、音量を何でそろえるかまで含めて選べます。総量 (RMS) なら ピンク > ホワイト > ブラウン、騒音計で同じうるささなら ブラウン > ピンク > ホワイトです
• 騒がしい中で1人の声を聞き分ける手がかりを説明できます。邪魔な声が別の声なら誤り率 28.7%、同じ声なら 58.3% で、声の違いだけで誤りが約半分になります
• スピーカーの声を、総量 (RMS) を上げずに聞き取りやすくできます。低音を切って 1.5〜4kHz を持ち上げ、小さい部分を持ち上げると、雑音の中での誤り率が 76% から 20% に下がりました

シリーズ目次全 7 章

1. 0 ノイキャンとマスキング 消す・覆う・届ける6章 Pillar (現在のページ)
2. 1 ノイズキャンセリングの仕組み 60度ずれで効果ゼロ ノイキャンは逆位相の音を足して騒音を消します。位相が5度ずれると残りは-21dB、60度で効果ゼロ。低音に強く高音に弱い理由を計算で示します。
3. 2 ノイキャンが耳元だけ効く理由 部屋は直径2.6cm 逆位相のスピーカーを部屋に置くと、静かになるのは2kHzで直径2.6cm、周りの66%はかえってうるさくなります。ヘッドホンでだけ効く理由を計算で示します。
4. 3 マスキング効果は帯域で決まる ノイズ3色×20文 ホワイト・ピンク・ブラウンノイズを同じ総量 (RMS) で話し声に混ぜ、音声認識で比べました。-5dBの誤り率はピンク75%、ブラウン23%。差は話し声の帯域に入る量です。
5. 4 ブラウンノイズ 騒音計ではホワイトより13dB静か ブラウンノイズは低い音に寄せたノイズで、同じ総量でも騒音計の A 特性ではホワイトより13dB小さく出ます。そのぶん A 特性でそろえて流すと話し声を最もよく隠し、総量でそろえた比較では最下位だった順位が首位に変わりました。
6. 5 カクテルパーティー効果 声の違いで誤り58→29% 騒がしい中で1人の声を聞き分けられるのはなぜか。話し声を話し声で覆い、音声認識で6条件を測りました。声が違えば誤り率は半分。ただし音声認識には、どちらの声を聞くかを伝える手段がなく、大きいほうの声に乗り換えました。
7. 6 スピーカーの声を聞き取りやすく 誤り76→20% 騒がしい場所でスピーカーから話しかける声は、総音量を上げなくても聞き取りやすくできます。総音量 (RMS) をそろえたまま、聞き分けに効く高さと小さい部分を持ち上げると、誤り率は76%から20%に下がりました。

X でホワイトノイズマシンの投稿が流れてきて、私は「逆音叉でもないのに、かき消すことができるのか？」と返しました。

頭にあったのは、ノイズキャンセリングの仕組みである逆位相です。元の音と山と谷が逆になった波を足すと、2つが打ち消し合って音が消えます。ホワイトノイズマシンはそういう波を作っていないのに、なぜ音をかき消せるのか。調べてみると、そもそも音を消していませんでした。別の音を足して、元の音を聞き取れなくしています。 これがマスキングです。にぎやかなカフェでは隣の席の会話が意外と耳に入ってこない、あれと同じことをわざと起こしています。

低くて一定の音を、自分の耳元でだけ静かにしたいならノイキャン (逆位相) です。部屋全体から来る不規則な音、とくに話し声ならマスキングです。 部屋全体を逆位相で静かにする方法は、理想条件の計算でも成り立ちませんでした。部屋に置いたスピーカーで耳の位置の騒音を打ち消しても、高めの音 (2kHz) で静かになるのは直径 2.6cm、500円玉ほどの範囲だけで、周りの3分の2はかえってうるさくなります。

マスキングを選んだあとは、ノイズの色が効き目を分けます。効き目を決めているのはノイズの総量よりも、話し声と同じ帯域 (300〜3400Hz) にどれだけ入っているかでした。同じ総量 (RMS。音の波の大きさをならした、音の量の数字) で流すと、ブラウンノイズはホワイトやピンクより話し声を隠す力が弱く、同じだけ隠すには音を約1.8倍 (5dB) 大きくする必要がありました。ただしブラウンは総量が同じでも騒音計の A 特性では 13dB 小さく出るので、騒音計で同じうるささにそろえ直すと、ブラウンが最下位から首位に移ります。

反対に、騒がしい中で自分の声を届けたいなら、音量を上げる前に声の形を変えます。 低音を切って 1.5〜4kHz を持ち上げ、声の小さい部分を持ち上げると、総量は同じまま、雑音の中での文字の誤り率が 76% から 20% に下がりました。周りが人の話し声なら、周りと違う声を選ぶだけでも誤りが約半分になります。このシリーズは、この3つの線引きを数字で裏づけます。消す側では、逆位相がどれだけ崩れやすいか (第1章) と、それが耳元でしか成り立たない理由 (第2章) を計算します。覆う側では、マスキングの効き目が何で決まるか (第3章) と、ブラウンノイズを「同じうるささ」で比べ直すと何が起きるか (第4章) を測ります。届ける側では、話し声の中から1人の声を聞き分けるカクテルパーティー効果 (第5章) と、スピーカーの声を埋もれさせない加工 (第6章) を測ります。

揃える課題

比べる方法には、次の2つの仕事をさせます。

• 仕事1 (消す・覆う): 耳に届く邪魔な音を、気にならないところまで下げる
• 仕事2 (届ける): 騒がしい中で、聞かせたい声を聞き取れるようにする
• 邪魔な音: エアコンや機械の低い音 (一定) と、人の話し声 (不規則。このシリーズでは 300〜3400Hz を話し声の帯域として扱う)
• 聞く場所: 自分の耳。ヘッドホンを着けている場合と、部屋に居るだけの場合

ただし、全部を同じ物差しでは測れません。

逆位相は音が何 dB 小さくなったかで測れます。マスキングは音を足すので、音の総量はむしろ増えます。こちらは元の音をどれだけ聞き取れなくなったかで測るしかありません。

そこでこのシリーズでは、逆位相は残った音の大きさ (dB)、マスキングと声を届ける側は、話し声を音声認識に書き起こさせたときの文字の誤り率 (書き起こしで間違えた文字の割合、%) で測ります。同じ誤り率でも、覆う側は高いほど話し声がよく隠れた、届ける側は低いほど声がよく届いたと、逆向きに読みます。3つを同じ表の上で性質として並べますが、数値どうしを直接比べることはしません。

3つの方法

A は「消す」、B は「覆う」、C は「届ける」です。

A と B は邪魔な音の側に音を足し、C は聞かせたい声の側を作り変えます。A は元の音にぴったり合わせた波を、B は元の音と無関係な雑音を足し、C は何も足さずに声の配分を変えます。この差が、効く場所と効く音の種類を決めています。

並べた表

A は条件がそろえば強い代わりに、その条件が厳しい方法です。位相、振幅、届くまでの遅れの全部が合っていないと崩れ、合っている場所も数cmしかありません。B は条件がゆるい代わりに、元の音を減らしません。聞こえなくするために、別の音を聞かせています。C は、邪魔な音を減らせない場面で聞かせたい側を変える方法で、雑音の量はそのままに、同じ総量の声を雑音から頭を出す形に作り替えます。

表の列が見ているもの

「効く場所」と「周りへの副作用」の2つで、A と B の性格がもっともはっきり割れます。A は効く場所が狭く、その外で逆効果が出ます。B は効く場所が広い代わりに、効いている場所でも音は増えています。C は音を足さないので副作用は小さいものの、周りが大勢の話し声のときには効き目が落ちます。

自分ならどれか

表の数字はどれも、第1〜6章の理想条件と測定条件の中での値です。とくに第1・2章の逆位相の数字で、市販のノイキャンの性能を言うことはできません。実機はマイクで騒音を拾う遅れ、制御の方式、耳の中の音響、イヤーパッドによる遮音が効いていて、どれもこの計算には入っていないからです。

このシリーズの検証状態

第1・2章はシミュレーション、第3〜6章は音声認識を聞き手にした測定です。人の耳で聞き取りを測った章はありません。

第1・2章に「実測」と書かないのは、実機のノイキャンを1台も測っていないからです。数式どおりに動く理想のスピーカーと理想の空間を置いて、そこで何が起きるかを計算しました。壁の反射やマイクの遅れは入っていません。第3〜6章は実際に音声を合成して音声認識に聞かせていますが、聞き手が機械なので、人が同じ条件で同じだけ聞き取れなくなるとは限りません。

読む順

消す側。逆位相がどこまで効くか。

1. ノイズキャンセリングの仕組み 60度ずれで効果ゼロ。逆位相の打ち消しは、位相と振幅と遅れにどれだけ敏感か
2. ノイキャンが耳元だけ効く理由 部屋は直径2.6cm。1点で消すと、周りで何が起きるか

覆う側。ノイズで話し声を覆う。

3. マスキング効果は帯域で決まる ノイズ3色×20文。ホワイト・ピンク・ブラウンを同じ総量で比べる。測り方の失敗も載せています
4. ブラウンノイズ 騒音計ではホワイトより13dB静か。騒音計で同じうるささにそろえると、第3章と順位が入れ替わる

届ける側。話し声の中で、声を聞かせる。

5. カクテルパーティー効果 声の違いで誤り58→29%。話し声が話し声を覆うと何が起きるか。音声認識にできないことも見えます
6. スピーカーの声を聞き取りやすく 誤り76→20%。音量を上げずに、声を埋もれさせない方法

準備中の章。

• 7 ホワイトノイズの効果は研究でどこまで言えるか。睡眠や集中への効果はこの章でまとめて扱い、第1〜6章では書きません

第1章と第2章、第3章と第4章、第5章と第6章は、それぞれ対で読むと効きます。第1章で「ずれると崩れる」ことを見て、第2章でそのずれが場所ごとに生まれることを見る、という順番です。第4章は第3章の結果を、第6章は第5章の考え方を前提にしています。どの章も単独で読めるように書いているので、ノイズの選び方だけ知りたい場合は第3章から、スピーカーで人に話しかける側の話だけ知りたい場合は第5章から入って構いません。