JP2004177419A

JP2004177419A - 能動回折音制御装置

Info

Publication number: JP2004177419A
Application number: JP2002339829A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nishimura; 修西村; Akihiko Ebato; 明彦江波戸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US20040151326A1

Abstract

【課題】壁体から離れた受音位置にエラーマイクを配置しないで、受音位置における制御対象音の音圧レベルを低減できる能動回折音制御装置を提供すること。
【解決手段】遮音壁Ｋの騒音源Ｓ側の騒音情報を計測するリファレンスマイク１３と、遮音壁Ｋの受音位置Ｕ側の騒音情報を計測する第１エラーマイク１４と、遮音壁Ｋ近傍に設置され、受音位置Ｕにおける制御対象音を低減化するための制御音を発生するスピーカ１２と、前記リファレンスマイク１３及び第１エラーマイク１４の出力に基づいて、スピーカ１２の出力を制御する制御装置２０とを備え、制御装置２０は、騒音源Ｓに関する第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５間の第１音伝達特性Ｈ３と、スピーカ１２に関する第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５間の第２音伝達特性Ｇ２とに基づいて演算する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、特に防音や遮音のために設置される壁を回折して到達する騒音等の制御対象音を低減化する能動回折音制御装置に関し、特に設置スペースを小さくできるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
騒音（制御対象音）を生じる騒音源のある騒音源領域と、騒音を低減させたい受音領域との間に壁を設けることで、防音や遮音を達成することは建築物騒音対策や道路騒音対策等において一般に用いられる遮音技術である。また、スピーカ（制御音源）から発生した音で騒音を低減する能動騒音制御技術は、騒音をフィードフォワード制御して低減する技術として知られている。
【０００３】
遮音壁を設置したとしても、これらの壁体を乗り越えて回折してくる騒音が存在することから、回折音に対して、一般的な能動騒音制御技術を適用するという方法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。この方法では、遮音壁の騒音源側に設置された騒音源計測センサと制御音源を用いて、騒音計測センサで検出する音圧レベルを低減化することによって、壁体の受音領域側における回折音の低減化が行われている。しかし、この方法を用いると遮音壁から離れた場所に騒音源計測センサと制御音源を設置する必要があり、騒音源と遮音壁との間にそれらを設置する空間が必要であった。
【０００４】
この理由を説明する。図８の（ａ）〜（ｄ）は、前述した能動騒音制御技術を適用した結果を示す図である。図８の（ａ）におけるＹ−Ｚ平面の０〜１０００［Ｈｚ］バンドの音圧分布である。能動騒音制御手法についてはよく知られているＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ手法などを適用できる。
【０００５】
壁による回折効果がもたらす騒音低減に加えて、制御音源が出力する音によって騒音が相殺されることによって騒音が低減される。遮音壁から近いエラーマイクＭ１を用いて行われた結果Ｑ１と、遮音壁から比較的遠いエラーマイクＭ２を用いて行われた結果Ｑ２の差がＱ３で表される。Ｑ３が全て正であることから明らかなように、エラーマイクは遮音壁から離れているほうが騒音低減領域が広がるとともに、騒音低減効果が増すことは明らかである。
【０００６】
これは一般的な音の減衰特性から判断しても明らかである。壁からある程度の距離にある騒音源からエラーマイクまでの距離に対して壁上端に設置されたスピーカからエラーマイクまでの距離は相対的に著しく短い。音のパワーは距離に対して距離の長さの二乗に反比例して減衰するため、距離が近い場所ではその勾配が急峻であり、このポイントで騒音源からと制御音源からのゲインをあわせこんだとしてもそこから先の領域でのパワーの差は著しく、エラーマイクの場所のみが騒音低減化されるだけで、騒音低減領域はごくわずかに限られる。
【０００７】
図９の（ａ），（ｂ）は、上述した現象を簡単に説明したものである。すなわち、図９の（ａ）に示すように、遮音壁から近い場所で交差させた場合、交差以降における音のパワーの差が大きくなる。一方、図９の（ｂ）に示すように、遮音壁から遠い場所で交差させた場合には、交差以降における音のパワーの差がのように小さくなる。以上のことから、回折された音が到達する領域において騒音低減の効果を高めるにはエラーマイクは遮音壁から離して設置したほうが好ましいことがわかる。
【０００８】
なお、上述した能動回折音制御方法の他にも各種方法が考えられている。例えば、遮音壁の上端に回折音を抑制するスピーカを設置する方法（例えば、特許文献２参照）では、壁上端にスピーカ（制御音源）を設置することが記載され、そのスピーカの大きさと向きについて限定してあるが、そのスピーカに対して、受音領域におけるどの場所の騒音を低減化するためにどのように処理された信号を出力させるかについての具体的な記述はない。
【０００９】
また、遮音壁の上端に設置され、観測された騒音の位相を反転して出力する方法（例えば、特許文献３参照）では、騒音源計測手段と制御音源を一体化させ、観測された騒音の位相を反転させて制御音源に出力するようにしている。この方法においては、騒音源計測手段と制御音源との間の音の伝達特性における位相をどのように反転させるのかについては明らかにされていない。
【００１０】
さらに、遮音壁の上端ではなく、騒音源側表面付近にスピーカを設置する方法（例えば、特許文献４参照）では、回折音だけでなく直接音を低減するためのスピーカ設置方法とその制御出力演算について記載されている。この方法においては、受音側の騒音を低減させたい領域と騒音計測場所との間の関係について明らかにされていない。
【００１１】
【特許文献１】
特公平７−８２３４７号公報（第２頁及び第１図）
【００１２】
【特許文献２】
特開平９−５４５９３号公報（第２頁及び第１図）
【００１３】
【特許文献３】
特開平７−２３４６８９号公報（図１及び図３）
【００１４】
【特許文献４】
特開２００１−１７２９２５号公報（図２及び図７）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した能動回折音制御装置であると次のような問題があった。すなわち、従来の回折して到達する騒音を低減化する能動騒音制御技術においては、制御音源を騒音源側に壁から離れた場所に設置する必要があるという空間的な制約をもつ問題があった。しかし、一般に遮音壁の両側にそのような設置スペースが存在しないことが多い。既設の遮音壁に付加的にこの回折音制御装置を設置するような場合、設置のための新たなスペースの確保や、エラーマイクを支える長い支柱等が必要になる。
【００１６】
また、遮音壁上端に制御音源たるスピーカを設置されたとしても、その制御方法が明確にされていない。さらに、遮音壁近傍に配せられた騒音計測場所の騒音を低減化した場合、遮音壁の受音側でどのように騒音低減化領域が形成されるかが明らかにされておらず、効果範囲が定まらないという問題があった。
【００１７】
そこで本発明は、壁体から離間した受音位置にエラーマイクを配置することなく、壁体近傍にリファレンスマイク、エラーマイク、スピーカ等を設置するのみで受音位置における制御対象音の音圧レベルを低減することができる能動回折音制御装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の能動回折音制御装置は次のように構成されている。
【００１９】
（１）制御対象音源領域と受音領域との間に設けられた壁体に取付けられるとともに、前記制御対象音源領域で発生した制御対象音を低減させる能動回折音制御装置において、前記壁体の前記制御対象音源領域側に配置され、前記壁体の近傍における制御対象音情報を計測する音源計測手段と、前記壁体の前記受音領域側に配置され、前記壁体の近傍における制御対象音情報を計測する直接制御対象音計測手段と、前記壁体近傍に設置され、前記受音領域の仮想制御対象音計測位置における制御対象音を低減化するための制御音を発生する制御音源と、前記制御対象音計測手段からの出力に基づいて、前記制御音の出力を制御する制御対象音制御手段とを備え、前記制御対象音制御手段は、制御対象音源に関する前記直接制御対象音計測位置と前記仮想制御対象音計測位置間の第１音伝達特性と、前記制御音源に関する前記直接制御対象音計測位置と前記仮想制御対象音計測位置間の第２音伝達特性とに基づいて演算するものであることを特徴とする。
【００２０】
（２）上記（１）に記載された能動回折音制御装置であって、前記制御対象音制御手段は、制御音を発生させる制御区間と、前記制御対象音源に関する前記制御対象音源計測手段と前記直接音計測手段との間の第３音伝達特性を得るための同定区間とを交互に行うものであることを特徴とする。
【００２１】
（３）上記（１）に記載された能動回折音制御装置であって、前記音源計測手段と前記直接制御対象音計測手段と前記制御音源とが一体として構成され、前記壁体に対して、着脱自在に設置できることを特徴とする。
【００２２】
（４）上記（１）に記載された能動回折音制御装置であって、前記制御音源は壁体上端部に設置され、前記直接制御対象音計測手段は、前記壁上端部から前記制御対象音の周波数の最短波長の距離以内に設置されていることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態に係る能動回折音制御装置１０の概要を示す図であって、（ａ）は能動回折音制御装置１０を遮音壁Ｋに取付けた状態を示す斜視図、（ｂ）は遮音壁Ｋに取付けた状態を示す側面図である。また、図２は、遮音壁Ｋ、騒音源Ｓ及び能動回折音制御装置１０の相互の位置関係を模式的に示す説明図である。なお、Ｓは騒音源、Ｕは受音位置、Ｐは騒音領域、Ｑは受音領域を示している。
【００２４】
能動回折音制御装置１０は、遮音壁Ｋに取付けられる本体部１１と、この本体部１１に設けられたスピーカ（制御音源）１２と、本体部１１からアーム１１ａを介して取付けられるとともに、騒音領域Ｐに配置され騒音源Ｓからの騒音を直接計測するリファレンスマイク（音源計測手段）１３と、本体部１１からアーム１１ｂを介して取付けられるとともに、受音領域Ｑに配置され騒音源Ｓからの騒音を直接計測する第１エラーマイク（直接制御対象音計測手段）１４と、本体部１１内部に設けられ、リファレンスマイク１３及び第１エラーマイク１４からの入力に基づいてスピーカ１２からの制御音の出力レベルを算出する制御装置（制御対象音制御手段）２０とを備えている。
【００２５】
なお、第１エラーマイク１４を支持するアーム１１ｂは、遮音壁Ｋから第１エラーマイク１４までの距離が制御対象音の周波数の最短波長の距離以内に設置されている。例えば、制御対象音の周波数が最大１０００Ｈｚの場合には、最短波長は約３４ｃｍとなる。リファレンスマイク１３を支持するアーム１１ａも同様の長さとすれば、リファレンスマイク１３、スピーカ１２、第１エラーマイク１４はすべて遮音壁Ｋから近傍（数十ｃｍ以内）に設置されることになり、一体化された状態で設置することが可能である。
【００２６】
制御装置２０は、リファレンスマイク１３及び第１エラーマイク１４からの入力に基づいてスピーカ１２からの制御音の出力レベルを算出する際、伝達特性Ｈ３，Ｇ２を用いる。すなわち、伝達特性Ｈ３，Ｇ２は、能動回折音制御装置１０による制御対象音の制御を行う前の段階で、受音位置Ｕに第２エラーマイク１５を設置し、伝達特性Ｈ３，Ｇ２を取得し、制御装置２０内部に記憶しておく。
【００２７】
この記憶された伝達特性Ｈ３，Ｇ２と、制御が開始された時点から得られるリファレンスマイク１３及び第１エラーマイク１４との情報に基づいて演算を行い、スピーカ１２からの出力を決定する。
【００２８】
ここで、制御装置２０における制御原理について説明する。図３は騒音源Ｓから第２エラーマイク１５までの騒音及び制御音の伝達特性を表す説明図である。ここで、Ｈ１は騒音源Ｓからスピーカ１２までの騒音についての伝達特性、Ｈ２はスピーカ１２から第１エラーマイク１４までの騒音についての伝達特性、Ｈ３は第１エラーマイク１４から第２エラーマイク１５までの騒音についての伝達特性を示している。一方、Ｇ１は騒音源Ｓから第１エラーマイク１４までの制御音についての伝達特性、Ｇ２は第１エラーマイク１４から第２エラーマイク１５までの制御音についての伝達特性を示している。
【００２９】
ここで、第１エラーマイク１４における騒音についての音圧レベルを低減化するような能動回折音制御を行うと、制御装置２０において伝達特性Ｗ１を取得することができる。しかし、実際に低減すべきなのは受音位置Ｕにおける騒音の音圧レベルであるため、第２エラーマイク１５までの伝達特性Ｈ３を含めた伝達特性Ｗ２を取得しなければ第２エラーマイク１５が設置された受音位置Ｕの騒音は低減化されない。そこで、第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５の間の音の伝達特性Ｈ３，Ｇ２を予め計測してデータとして保持し、これらのデータと伝達特性Ｗ１とを用いて次式により伝達特性Ｗ２を決定する。
【００３０】
Ｗ_２＝Ｗ_１Ｈ_３ ^−１・Ｇ_２ …（１）
この伝達特性Ｗ２を用いると、あたかも第２エラーマイク１５が受音位置Ｕに存在したかのような騒音制御が可能となる。
【００３１】
図４は、上述した方法によって得られた結果の一例を示す図である。Ｍ１は伝達特性Ｗ１、Ｍ２は（伝達特性Ｇ２）／（伝達特性Ｈ３）、Ｍ３はＭ１及びＭ２から算出した伝達特性Ｗ２、Ｍ４は実際に第２エラーマイク１５を用いて算出された伝達特性Ｗ２である。Ｍ３とＭ４とがほぼ等しいことから、本手法の実効性を有することがわかる。
【００３２】
次に、第１エラーマイク１４及び第２エラーマイク１５の配置、すなわち遮音壁Ｋから距離をどの程度離間させるのかについて説明する。上述したように、伝達特性Ｈ３，Ｇ２を予め計測しデータとして保持すれば騒音制御可能であることとなるが、時間変化に伴って伝達特性Ｈ３，Ｇ２が予め計測したデータから変動する場合もある。例えば、第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５との間の距離が極端に離れている場合には、温度変化等に伴って伝達特性Ｈ３，Ｇ２が大きく変動し、騒音低減効果の減少が予想される。
【００３３】
図５の（ａ）は１０００［Ｈｚ］までの音を低減対象とした時の、第２エラーマイク１５と遮音壁Ｋとの間の絶対距離と、騒音低減効果との関係を表したものである。このように第２エラーマイク１５は遮音壁Ｋから離れるほど騒音低減効果は大きい。但し、実用的には３から４ｄＢ減程度が望ましいことから、０．３［ｍ］以上、すなわち第２エラーマイク１５は遮音壁Ｋから制御対象音の周波数の最短波長λより離れた場所に設置することが望ましいことが分かる。第２エラーマイク１５が壁上端部から最短波長λより離れた場所に設置されることから、第１エラーマイク１４は遮音壁Ｋの上端部から最短波長λの距離以内に配置する必要がある。
【００３４】
図５の（ｂ）は、１０００［Ｈｚ］までの音を低減対象としたときの、第１エラーマイク１４と遮音壁Ｋとの間の絶対距離と、第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５との間の相対距離と、これらに対する（伝達特性Ｇ２）／（伝達特性Ｈ３）のゲイン値との関係を示すグラフであり、図中Ｅ２はゲイン値の平均を表したものである。第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５との間の相対距離が大きいほど、伝達特性Ｈ３，Ｇ２の変動に敏感になるので、この値はできるだけ小さいこと（２ｄＢ以下程度）が好ましい。このグラフから、第１エラーマイク１４を遮音壁Ｋから制御対象周波数の最短波長λ以内に設置した場合には、第１エラーマイク１４と第２エラーマイク１５との間の相対距離は波長λの２波長以内にあることが望ましいことが分かる。
【００３５】
上述したことから、例えば１０００Ｈｚまでを騒音制御対象の周波数と考えた場合、１波長は３４ｃｍとなる。このため、遮音壁Ｋから３０ｃｍあまりに第１エラーマイク１４を設置することになり、一体型のものを容易に製造することができる。さらに第１エラーマイク１４からさらに２波長（７０ｃｍ）離れた場所にあたかも第２エラーマイク１５が存在するかのような騒音制御が可能であり、この数十ｃｍの違いが騒音低減領域、低減効果に大きな違いをもたらすことになる。
【００３６】
上述したように本実施の形態に係る能動回折音制御装置１０を用いることにより、遮音壁Ｋから離間し、かつ、騒音レベルを低下させたい位置である受音位置Ｕに第２エラーマイク１５を実際に設置しない場合であっても、受音位置Ｕにおける騒音レベルを低下させることができる。すなわち、リファレンスマイク１３、スピーカ１２、第１エラーマイク１４を遮音壁Ｋ近傍（数十ｃｍ程度）に設置するだけで、受音位置Ｕにおける騒音レベルを低下させることができる。このため、設置の自由度が広がる。さらに、リファレンスマイク１３、スピーカ１２、第１エラーマイク１４を一体的な構造のものとすれば、図１に示すように、遮音壁Ｋの上端部に載置する等の簡単な方法で設置することができることから、設置利便性が向上する。
【００３７】
図６は、上述した能動回折音制御装置１０における運用例を示す説明図である。すなわち、実際に能動消音制御装置が取得する伝達特性Ｗ１と実際に騒音低減させるときに用いる伝達特性Ｗ２とは異なる状況下で取得する必要がある。このため、第１エラーマイク１４の音圧レベルがゼロとなるように伝達特性Ｗ１を取得する同定区間と、第２エラーマイク１５の音圧レベルがゼロとなるように伝達特性Ｗ２を適用して制御を行う制御区間とを別々に設定する必要がある。この同定区間は、Ｗ１を調整するに足りる十分な長さがあればよい。また、環境や伝達特性が大きく変化しないのであれば、最初に一度だけ伝達特性Ｗ１を取得し伝達特性Ｗ２を算出すれば十分である。
【００３８】
図７は上述した能動回折音制御装置１０を、建築物の壁材Ｌの開口部Ｌａ等に適用した例である。能動回折音制御装置１０は道路等に設置される遮音壁や防音壁に限られず、壁体であれば同じように適用することが可能である。したがって、建築物の開口部Ｌａから外部に漏れ出す騒音を低減化することが可能である。
【００３９】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、能動回折音制御装置は一体型のものについて説明したが、分離型であっても構わない。また、第２エラーマイクは伝達関数Ｈ３，Ｇ２取得後は撤去するとして説明したが、設置可能な条件を満たせば実際に設置してもよく、また、所定の条件を満たす場合、例えば伝達関数Ｈ３，Ｇ２が既知であるような場合には設置する必要がない。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、壁体から離間した受音位置にエラーマイクを配置することなく、壁体近傍にリファレンスマイク、エラーマイク、スピーカ等を設置するのみで受音位置における制御対象音の音圧レベルを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態係る能動回折音制御装置の概要を示す図であって、（ａ）は遮音壁に取付けた状態を示す斜視図、（ｂ）は遮音壁Ｋに取付けた状態を示す側面図。
【図２】遮音壁、騒音源、受音位置及び能動回折音制御装置の相互の位置関係を模式的に示す説明図。
【図３】騒音源から第２エラーマイクまでの騒音及び制御音の伝達特性を表す説明図。
【図４】同能動回折音制御装置によって得られた制御結果の一例を示す図。
【図５】遮音壁、第１エラーマイク、第２エラーマイク相互の位置関係と、騒音低減量、ゲインとの関係を示す図。
【図６】同能動回折音制御装置における同定区間と制御区間との関係を示す説明図。
【図７】同能動回折音制御装置を建築物開口部に適用した例を示す斜視図。
【図８】エラーマイクの位置と騒音低減効果との関係を示す説明図。
【図９】騒音レベルと距離との関係を示す説明図。
【符号の説明】
Ｓ…騒音源
Ｕ…受音位置
Ｐ…騒音領域
Ｑ…受音領域
１０…能動回折音制御装置
１１…本体部
１２…スピーカ（制御音源）
１３…リファレンスマイク（音源計測手段）
１４…第１エラーマイク（直接制御対象音計測手段）
１５…第２エラーマイク（仮想制御対象音計測手段）
２０…制御装置（制御対象音制御手段）

Claims

制御対象音源領域と受音領域との間に設けられた壁体に取付けられるとともに、前記制御対象音源領域で発生した制御対象音を低減させる能動回折音制御装置において、
前記壁体の前記制御対象音源領域側に配置され、前記壁体の近傍における制御対象音情報を計測する音源計測手段と、
前記壁体の前記受音領域側に配置され、前記壁体の近傍における制御対象音情報を計測する直接制御対象音計測手段と、
前記壁体近傍に設置され、前記受音領域の仮想制御対象音計測位置における制御対象音を低減化するための制御音を発生する制御音源と、
前記制御対象音計測手段からの出力に基づいて、前記制御音の出力を制御する制御対象音制御手段とを備え、
前記制御対象音制御手段は、制御対象音源に関する前記直接制御対象音計測位置と前記仮想制御対象音計測位置間の第１音伝達特性と、
前記制御音源に関する前記直接制御対象音計測位置と前記仮想制御対象音計測位置間の第２音伝達特性とに基づいて演算するものであることを特徴とする能動回折音制御装置。
前記制御対象音制御手段は、制御音を発生させる制御区間と、前記制御対象音源に関する前記制御対象音源計測手段と前記直接音計測手段との間の第３音伝達特性を得るための同定区間とを交互に行うものであることを特徴とする請求項１に記載の能動回折音制御装置。
前記音源計測手段と前記直接制御対象音計測手段と前記制御音源とが一体として構成され、前記壁体に対して、着脱自在に設置できることを特徴とする請求項１に記載の能動回折音制御装置。
前記制御音源は壁体上端部に設置され、
前記直接制御対象音計測手段は、前記壁上端部から前記制御対象音の周波数の最短波長の距離以内に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の能動回折音制御装置。