JP2001060094A

JP2001060094A - 消音装置

Info

Publication number: JP2001060094A
Application number: JP11236721A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mori; 正裕森
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】安価な演算装置で大きな騒音低減効果が達成
でき、かつ大型化を招かない消音装置を提供することを
目的とする。【解決手段】騒音源からの騒音を平面波として伝搬さ
せるダクト状構造体１１を騒音を検出する音響検出手段
１３の設置位置で断面積の異なる第１のダクト状部分１
２ａと第２のダクト状部分１２ｂとで構成し、これらの
断面積の比を１：３にして断面積が不連続に変化する位
置での音波の透過率および反射率をそれぞれ０．５とな
るようにした。これにより、音響検出手段１３の設置位
置を透過する進行波の透過成分およびその設置位置で反
射される後退波の反射成分は、音響検出手段１３が検出
した信号に対してそれぞれ同じ大きさになるため、騒音
源からの騒音の透過成分が電気音響変換手段１５からの
音との干渉で消音されるのと同じ原理で、後退波の反射
成分も消音される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は消音装置に関し、特
にダクト状構造体を伝搬する騒音を能動的消音機構によ
り消音する消音装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にダクト状構造体を伝搬する騒音を
消音する方法として、伝搬してくる騒音にその騒音と逆
位相・同振幅の音波を重畳し、両者の干渉によって騒音
を消音する能動型消音装置が知られている。

【０００３】たとえば家庭用冷蔵庫のコンプレッサ騒音
に適用した例が特開平２−２２５９７６号公報に開示さ
れている。この特開平２−２２５９７６号公報に開示さ
れている消音装置の構成例を図３に示す。

【０００４】図３は従来の消音装置の構成例を示す図で
ある。図３において、冷蔵庫の騒音源であるコンプレッ
サ３１は機械室に収容され、その機械室にはダクト３２
が設けられて、コンプレッサ３１で発生した騒音がダク
ト３２を介して外部へ放射されるようにしている。この
ダクト３２は、騒音の伝達経路である中の音場が一次元
の平面進行波となるように構成されている。機械室に
は、騒音を測定するためのマイクロホン３３が設置さ
れ、その出力は演算回路３４に接続されている。演算回
路３４の出力は、ダクト３２の開口部３５の近傍に設け
られた制御スピーカ３６に接続されている。

【０００５】コンプレッサ３１で発生した騒音は、ダク
ト３２に進入し、ここでダクト３２の音響効果により一
次元の平面進行波に変換される。また、コンプレッサ３
１より発生した騒音は、マイクロホン３３により測定さ
れ、演算回路３４に入力される。演算回路３４は、ダク
ト３２の開口部３５において、コンプレッサ３１からの
騒音と制御スピーカ３６から出力される制御音とが同振
幅・逆位相となるように、入力された信号を加工する。
このような構成にすることにより、ダクト３２の開口部
３５で、コンプレッサ３１からの騒音と制御スピーカ３
６から出力される制御音とが互いに干渉し、開口部３５
から外部へ放射される騒音を低減することができる。

【０００６】ところが、このような従来の能動型消音装
置においては、ダクト３２の開口部３５において音響イ
ンピーダンスが急変するため、外部へ放射される騒音の
一部がその開口部３５で反射され、ダクト３２中を開口
部３５から騒音とは逆方向へ伝搬する所謂後退波が生じ
る。ここで示したような従来の能動型消音装置では、ダ
クト内に後退波が存在することで次のような問題点が生
じる。

【０００７】一般のマイクロホンでは進行波と後退波と
を区別することができないため、マイクロホン３３に後
退波が入力されると、演算回路３４はこの入力を進行波
の入力と同様に扱い、ダクト３２の開口部３５で、コン
プレッサ３１からの騒音と制御スピーカ３６から出力さ
れる制御音とが同振幅・逆位相となるように制御スピー
カ３６から制御音を放射させる。

【０００８】一方、マイクロホン３３の位置を通過した
後退波は、ダクト３２の奥に向かって伝搬し、ダクト３
２の最奥部で反射され、進行波として再び開口部３５の
方へ伝搬する。

【０００９】このように、進行波と後退波とでは、開口
部３５までの伝搬特性が異なっており、到達するタイミ
ングが異なる。そのため、後退波がマイクロホン３３で
検出されると、ダクト３２の開口部３５では干渉による
消音現象が発生せず、大きな誤差が生じる。これを演算
回路３４で補正しようとすると、演算回路３４で行う信
号の加工が複雑になり、ＤＳＰ（Digital Signal Proce
ssor）などの高性能で高価な演算処理装置が必要になる
という不具合があった。

【００１０】そこで、このような不具合を回避する技術
が、たとえば特開平５−２０４３８６号公報や特開平５
−２３２９６８号公報に提案されている。これらの公報
に開示されている例では、後退波の影響を除去すべく、
音の伝達経路内に、騒音の伝搬方向に所定距離隔てて２
個の検出マイクロホンを設置する方法が示されている。
ここで、特開平５−２０４３８６号公報に開示されてい
る消音装置の構成例を図４に示す。

【００１１】図４は従来の消音装置の別の構成例を示す
図である。図４によれば、音源４１から放射される音波
を平面波とみなせるような断面形状を持つダクト４２が
あり、その開口部４３の近傍にスピーカ４４が設けられ
ている。ダクト４２内には、所定の間隔を置いて第１の
マイクロホン４５ａと第２のマイクロホン４５ｂとが設
置され、第２のマイクロホン４５ｂの出力には遅れ関数
部４６が接続されている。遅れ関数部４６は第１のマイ
クロホン４５ａと第２のマイクロホン４５ｂとの設置間
隔に相当する伝達関数を有している。第１のマイクロホ
ン４５ａの出力と遅れ関数部４６の出力とは合成されて
制御装置４７に接続され、その制御装置４７の出力はス
ピーカ４４に接続されている。制御装置４７は所定のフ
ィルタ係数を持つフィルタを有している。

【００１２】音源４１から放射された音は第１のマイク
ロホン４５ａと第２のマイクロホン４５ｂとで検出さ
れ、第１のマイクロホン４５ａの出力と遅れ関数部４６
を通った第２のマイクロホン４５ｂの出力とを合成した
信号が制御装置４７に通され、得られた信号が制御音源
であるスピーカ４４を動作させ、このスピーカ４４から
放射された音で音源４１から出た音を能動的に打ち消す
ように構成している。

【００１３】ここで、このような構成とした能動騒音低
減装置においては、第１のマイクロホン４５ａおよび第
２のマイクロホン４５ｂで検出した信号について、第１
のマイクロホン４５ａの出力信号と２本のマイクロホン
の間隔に相当する伝達関数を有する遅れ関数部４６を通
った第２のマイクロホン４５ｂの出力信号とを合成する
ことによって、第１のマイクロホン４５ａおよび第２の
マイクロホン４５ｂが検出した音圧から後退波の影響を
除去した信号を得ることができる。このような構成を用
いることによって、マイクロホンが後退波を検出しなく
なるので、制御装置４７が進行波と後退波とを誤認する
ことによる誤差の発生を低減することができる。

【００１４】また、特開平８−３０３２２４号公報に
は、後退波の発生そのものを防止する方法が開示されて
いる。ここで、特開平８−３０３２２４に開示されてい
る消音装置の構成例を図５に示す。

【００１５】図５は従来の消音装置のさらに別の構成例
を示す図である。図５によれば、音源５１からの排気音
を伝搬させる排気ダクト５２において、排気音を外部へ
排出する開口部５３の部分をホーン形に形成したホーン
部５４とし、このホーン部５４の遮蔽周波数をこの消音
装置の減衰の対象とする周波数領域よりも低くなる状態
に構成している。排気ダクト５２の音源５１の側にマイ
クロホン５５が設置され、そのマイクロホン５５の出力
は制御装置５６に入力され、その制御装置５６の出力は
排気ダクト５２のホーン部５４の側に設けられたスピー
カ５７に接続されている。

【００１６】ここで、このような構成とした消音装置に
おいては、音源５１から発生する排気音は、排気ダクト
５２を伝搬し、ホーン部５４を通して排出される。ホー
ン部５４はホーン形に形成されることによって、音響イ
ンピーダンスがなめらかに変化し、排気ダクト５２を伝
搬する音が開口部５３において反射し後退波となること
を抑制している。これにより、マイクロホン５５で測定
した音源の排気音と逆位相・同振幅の音波を制御装置５
６で作り、これをスピーカ５７より放出させて進行波形
と重畳することで消音し、このとき、ホーン部５４の遮
蔽周波数をこの消音装置の減衰の対象とする周波数領域
よりも低くなる状態に構成したことにより、この消音装
置が減衰の対象とする周波数領域の全域にわたって排気
ダクト中の後退波の発生が防止される。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、後退波
の影響を除去するようにした消音装置では、正確に検出
すべき進行波の波形を歪めてしまうという問題点があ
る。進行波の波形が歪むことで、制御装置での信号処理
が複雑になり、また、マイクロホンおよび遅れ関数部を
新たに追加するため、消音装置のコストアップにつなが
るという問題点があった。

【００１８】また、後退波の発生そのものを防止するよ
うにした消音装置では、十分な効果を与えるには大きな
ホーン部が必要であるため、消音装置の大型化を招き、
小型の機器への適用が困難であるという問題点があっ
た。

【００１９】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、安価な演算装置で大きな騒音低減効果が達成
でき、かつ大型化を招かない消音装置を提供することを
目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明では上記問題を解
決するために、騒音源からの騒音が平面波として伝搬す
るダクト状構造体と、前記ダクト状構造体の内部に設置
され前記騒音を検出する音響検出手段と、前記音響検出
手段で検出された電気信号が入力される制御手段と、前
記制御手段から出力される電気信号に応じて前記ダクト
状構造体の内部に制御音を放射することにより前記騒音
源からの騒音と相互に干渉させて前記騒音を消音させる
電気音響変換手段とを有する消音装置において、前記ダ
クト状構造体は、前記音響検出手段が設置される位置
で、前記ダクト状構造体の断面積が不連続に変化し、か
つ、前記音響検出手段が設置される位置より上流の部分
である第１のダクト状部分と前記音響検出手段が設置さ
れる位置より下流の部分である第２のダクト状部分との
断面積の比が１：３もしくは３：１となるようにしたこ
とを特徴とする消音装置が提供される。

【００２１】このような消音装置によれば、ダクト状構
造体は、音響検出手段が設置された位置において断面積
が不連続に変化していることにより騒音の反射が生じ、
第１のダクト状部分と第２のダクト状部分との断面積の
比が１：３であることから、音響検出手段が設置された
位置における騒音の反射率・透過率は０．５となる。こ
こで、騒音源からの騒音が第１のダクト状部分を伝搬し
て音響検出手段が設置された位置に到達すると、音の半
分が反射して騒音源側へ向かい、半分は透過し第２のダ
クト状部分の中を進行波として下流側へ伝搬する。この
とき、音響検出手段が検出した電気信号は制御手段に入
力され、この制御手段から出力される電気信号に応じて
電気音響変換手段が第２のダクト状部分の内部に制御音
を放射することによりダクト出口で干渉により進行波の
透過成分を消去する。また、制御音の一部やダクト出口
で生じる反射は第２のダクト状部分の中を上流方向へ向
かい後退波として伝搬する。この後退波も、音響検出手
段が設置された位置で半分が反射し後退波の反射成分と
してダクト出口へ向かう。この後退波の反射成分は、音
響検出手段が検出した信号に対して進行波の透過成分と
同じ大きさになるため、騒音源からの騒音の透過成分を
ダクト出口で干渉により消音されたのと同様に、ダクト
出口で干渉により消音される。このように、ダクト状構
造体の断面積を不連続に変化させたことにより、ダクト
中の後退波の悪影響を防止することができ、装置の大型
化を招かない消音装置を提供することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の消音装置の原理を
説明する概要図である。本発明による消音装置は、騒音
源からの騒音を伝搬させるダクト状構造体１１と、この
ダクト状構造体１１の内部に設置されて中を伝搬してく
るる騒音を検出する音響検出手段１３と、この音響検出
手段１３で検出された電気信号が入力される制御手段１
４と、この制御手段１４から出力される電気信号に応じ
た音波をダクト状構造体１１の内部に放射する電気音響
変換手段１５とを備えている。

【００２３】このダクト状構造体１１は、音響検出手段
１３が設置される位置を境界にして、断面積の小さな第
１のダクト状部分１２ａと、断面積の大きな第２のダク
ト状部分１２ｂとから構成され、これらの境界面で急変
する音響インピーダンスによる音波の反射率を０．５と
なるようにしている。この境界面での反射率Ｒは、第１
のダクト状部分１２ａおよび第２のダクト状部分１２ｂ
の断面積をそれぞれＳ１，Ｓ２とすると、以下の式で表
される。

【００２４】

【数１】Ｒ＝（Ｓ２−Ｓ１）／（Ｓ２＋Ｓ１）・・（１）本発明による消音装置では、その境界面における反射率
Ｒは０．５であることから、

【００２５】

【数２】０．５＝（Ｓ２−Ｓ１）／（Ｓ２＋Ｓ１） ∴Ｓ１／Ｓ２＝１／３・・（２）となる。これにより、第１のダクト状部分１２ａの断面
積Ｓ１と第２のダクト状部分１２ｂの断面積Ｓ２との比
は１：３にすればよいことになる。

【００２６】なお、第１のダクト状部分１２ａと第２の
ダクト状部分１２ｂとの断面積の比は、上記のように
１：３が理想値であるが、その誤差は１０％以下である
必要があり、より望ましくは誤差が１％以下であるとよ
い。また、音響検出手段１３が設置される位置での音の
反射率は０．５であればいいので、電気音響変換手段１
５を断面積の小さな第１のダクト状部分１２ａに設け
て、断面積の異なる二つのダクト状部分の断面積の比を
３：１とするようにしてもよい。

【００２７】また、ダクト状構造体１１は、消音装置が
消音対象とする全周波数領域において、ダクトに進入し
た騒音を平面波に変換できることが望ましい。このた
め、矩形断面のダクトの場合、ダクト断面の長辺の長さ
をａ、音速をＣ、解析対象周波数の上限をｆ_maxとする
と、ダクト断面の長辺の長さａは、ａ＜＝Ｃ／（２＊ｆ
_m _ax）の範囲に収める必要がある。これにより、ダクト
状構造体１１を伝搬する騒音は平面波とみなすことがで
きるようになる。

【００２８】さらに、音響検出手段１３が設置される位
置より下流の部分である第２のダクト状部分１２ｂは、
少なくとも第１のダクト状部分１２ａとの接合位置から
電気音響変換手段１５が設置される位置までの区間で、
その断面積が変化しない必要があり、より望ましくは断
面形状も変化しないようにすると良い。

【００２９】以上のような構成とした消音装置において
は、音響検出手段１３が設置される位置での進行波およ
び後退波に対する反射率が等しくなる。さらに、第１の
ダクト状部分１２ａと第２のダクト状部分１２ｂとの断
面積の比を１：３としたことにより、進行波および後退
波に対する反射率は０．５となり、必然的に透過率も
０．５となる。

【００３０】ここで、音響検出手段１３が設置される位
置に進行波が進入すると、透過率が０．５であるから、
音の半分が進行波の透過成分としてダクト出口へ向か
う。このとき、音響検出手段１３が検出した信号は制御
手段１４に入力され、この信号をもとに電気音響変換手
段１５から出力される音波が、進行波の透過成分をダク
ト出口で干渉により消音することになる。

【００３１】同様に、ダクト出口で反射した後退波が音
響検出手段１３が設置される位置に進入した場合は、反
射率が０．５であるから、進入した音の半分が後退波の
反射成分としてダクト出口へ向かう。進行波の透過率と
後退波の反射率とが等しいことから、ダクト出口へ向か
う進行波の透過成分とダクト出口へ向かう後退波の反射
成分とは音響検出手段１３が検出した信号に対して同じ
大きさ、すなわち、（進行波の透過成分／音響検出手段
１３が検出した信号）＝（後退波の反射成分／音響検出
手段１３が検出した信号）となる。音響検出手段１３で
は、検出する音が進行波であるか後退波であるかの区別
はできないので、後退波の反射成分は、進行波の透過成
分がダクト出口で干渉により消音されるのと同じタイミ
ングで消音点に達し、電気音響変換手段１５から出力さ
れる制御音との干渉により消音される。

【００３２】これにより、ダクト中に後退波が存在して
も、進行波と同じ信号処理により後退波を消音させるこ
とができるので、後退波による悪影響を防止することが
でき、良好な消音性能を保つことができる。

【００３３】次に、断面積の小さなダクトを騒音源の入
口とし、断面積の大きなダクトが出口となるように構成
した消音装置の適用例について説明する。図２は本発明
による消音装置の実施の形態を示す図である。図２にお
いて、騒音源２１をは筐体２２に包囲されており、この
筐体２２に騒音が伝搬するダクト２３が設けられてい
る。また、ダクト２３内には検出マイクロホン２４と、
制御スピーカ２５とが設置されている。そして、検出マ
イクロホン２４の出力を受けて、制御スピーカ２５を駆
動する制御回路２６が設けられている。この制御回路２
６は、検出マイクロホン２４の出力信号に予め定められ
た伝達特性を乗じて、制御スピーカ２５を駆動する信号
を作成する機能を有する。ここで、ダクト２３と、検出
マイクロホン２４と、制御スピーカ２５と、制御回路２
６とで能動型消音装置を構成している。

【００３４】ダクト２３は、検出マイクロホン２４が設
置される位置において断面積が不連続に変化しており、
かつ、検出マイクロホン２４より上流の部分である第１
のダクト部２３ａと下流の部分である第２のダクト部２
３ｂとの断面積の比が１：３となるように構成されてい
る。

【００３５】次に、このような構成の能動型消音装置の
動作について説明する。騒音源２１で発生した騒音が筐
体２２からダクト２３の第１のダクト部２３ａに進入す
ると、その騒音は第１のダクト部２３ａの音響効果によ
り平面波に変換され、下流方向へ向かい進行波として伝
搬する。第１のダクト部２３ａの中を進行波が伝搬し、
検出マイクロホン２４が設置されている位置に達する
と、この位置において、ダクト２３の断面積の変化によ
り進行波の反射が生じる。ここで、第１のダクト部２３
ａおよび第２のダクト部２３ｂの断面積の比が１：３で
あるので、進行波の反射率および透過率はそれぞれ０．
５となる。透過率は０．５であるから、騒音源２１で発
生した騒音の半分が騒音の透過成分として、第２のダク
ト部２３ｂを介してダクト出口２７へ向かう。

【００３６】このとき、検出マイクロホン２４が検出し
た信号は、制御回路２６に入力されて信号処理された
後、制御スピーカ２５により第２のダクト部２３ｂ内へ
放射される。これにより、第２のダクト部２３ｂを伝搬
してきてダクト出口２７に到達した進行波の透過成分
は、制御スピーカ２５から出力された音波と干渉して消
音される。

【００３７】一方、制御スピーカ２５から放射された制
御音の一部や、ダクト出口２７で生じる反射は、第２の
ダクト部２３ｂの中を上流方向へ向かい後退波として伝
搬する。第２のダクト部２３ｂの中を伝搬する後退波に
も、進行波と同様に、検出マイクロホン２４が設置され
ている位置において、ダクト２３の断面積の変化による
反射が生じる。断面積の比が３：１であるから、後退波
の反射率と透過率とはそれぞれ０．５となるので、音の
半分が後退波の反射成分としてダクト出口２７へ向かう
ことになる。進行波の透過率と後退波の反射率とが等し
いことから、進行波の透過成分と後退波の反射成分とは
検出マイクロホン２４が検出した信号に対して同じ大き
さとなるため、騒音源からの騒音の透過成分をダクト出
口で干渉により消音したのと同様に、後退波の反射成分
もダクト出口２７で干渉により消音される。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、騒音を
平面波として伝搬させるダクト状構造体を断面積の異な
る二つのダクト状部分で構成し、二つのダクト状部分の
断面積の比を１：３もしくは３：１とし、その二つのダ
クト状部分によって断面積が不連続となる位置に騒音を
検出する音響検出手段を設置するように構成した。これ
により、ダクト状構造体は、断面積が不連続に変化する
という極めて単純な構成を用いて、ダクト中の後退波の
悪影響を防止することが可能であるので、安価な演算装
置で従来技術と比較して高い騒音低減効果を達成するこ
とができ、装置の大型化を招かない消音装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の消音装置の原理を説明する概要図で
ある。

【図２】本発明による消音装置の実施の形態を示す図
である。

【図３】従来の消音装置の構成例を示す図である。

【図４】従来の消音装置の別の構成例を示す図であ
る。

【図５】従来の消音装置のさらに別の構成例を示す図
である。

【符号の説明】

１１ダクト状構造体１２ａ第１のダクト状部分１２ｂ第２のダクト状部分１３音響検出手段１４制御手段１５電気音響変換手段２１騒音源２２筐体２３ダクト２３ａ第１のダクト部２３ｂ第２のダクト部２４検出マイクロホン２５制御スピーカ２６制御回路２７ダクト出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】騒音源からの騒音が平面波として伝搬す
るダクト状構造体と、前記ダクト状構造体の内部に設置
され前記騒音を検出する音響検出手段と、前記音響検出
手段で検出された電気信号が入力される制御手段と、前
記制御手段から出力される電気信号に応じて前記ダクト
状構造体の内部に制御音を放射することにより前記騒音
源からの騒音と相互に干渉させて前記騒音を消音させる
電気音響変換手段とを有する消音装置において、前記ダクト状構造体は、前記音響検出手段が設置される
位置で、前記ダクト状構造体の断面積が不連続に変化
し、かつ、前記音響検出手段が設置される位置より上流
の部分である第１のダクト状部分と前記音響検出手段が
設置される位置より下流の部分である第２のダクト状部
分との断面積の比が１：３もしくは３：１となるように
したことを特徴とする消音装置。
【請求項２】前記第２のダクト状部分は、少なくとも
前記第１のダクト状部分との接合位置から前記電気音響
変換手段が設置される位置までの区間の断面積が変化し
ない形状にしたことを特徴とする請求項１記載の消音装
置。
【請求項３】前記第２のダクト状部分は、少なくとも
前記第１のダクト状部分との接合位置から前記電気音響
変換手段が設置される位置までの区間の断面形状が変化
しないようにしたことを特徴とする請求項２記載の消音
装置。