JP2004216971A - 鉄道車両用アクティブ騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変動磁界の中でも有効確実な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供する。
【解決手段】パネルの振動を検出する振動検出器と、パネルに近接して設けられる圧電型平面スピーカと、振動検出器から入力する電気信号に基づいて圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、圧電型平面スピーカは、逆位相の音を放射する面をパネルに向けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、騒音低減装置、とくにスピーカを用いる鉄道車両用アクティブ騒音低減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動されるパネルにアクチュエータ（振動発生手段）から逆位相の振動を与えることにより騒音低減を図るアクティブ騒音低減装置は、既に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、入力する騒音に対してこれと逆位相の音を発生するスピーカを用いることにより、音の干渉による騒音低減を図るアクティブ騒音低減技術は文献提示をするまでもなく、古くから知られている。
特許文献１に記載の従来例は、騒音を騒音センサにより検出するとともに、パネルの騒音による振動を振動検出器により検出して、両センサの出力に基づいて駆動部により、パネルに取付けたアクチュエータを駆動して、騒音と逆位相でパネルを振動せることにより、騒音によるパネルの振動を打ち消すようにパネルの振動をアクティブに制御するものである。そして、アクチュエータとして圧電素子等を用い、これをパネルに貼り付けている
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１４９２７２号公報 図１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この構成ではアクチュエータによる加振を行っているため、複雑な振動をしているパネルにおいて、制振できるエリアはアクチュエータ直下のみとなり、広い領域での制振を行うには多数の振動センサとアクチュエータが必要になる。
また、この従来例は非定常信号の音波外乱を制卸するための、駆動部の演算回路の制御アルゴリズムは、信号パワーを逐次推定するＬＳＭアルゴズム（逐次推定ＬＳＭアルゴリズム）で溝成している。
しかしながら、逐次推定ＬＳＭアルゴリズムは、フィルタ係数、出力信号系列、エラー信号、平均パワー推定値、その他の多くのパラメ一夕を含む数式を実行して、信号パワーを推定し、駆動部を制御するので、パラメータの設定が容易でなく、また、演算速度が入力する騒音に対応する適切なアクティブ制御を実現するには問題があった。
【０００５】
また、スピーカを用いる従来のアクティブ騒音低減装置は、動電型スピーカを用いるものである。例えば、超電導磁気浮上式鉄道車両の車内や磁界発生機器を収容する場所周辺は、変動磁界が存在する。従って、内部に鉄（ヨーク）と可動コイルからなるボイスコイルを有する動電型スピーカを用いる従来のアクティブ騒音低減装置は、外来騒音又は内部発生騒音を十分に低減する逆位相の音を発生する際に、上記変動磁界を考慮する必要があるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、第１の課題は、変動磁界の中においても、外来騒音又は機器発生騒音を十分に低減することが可能な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することにある。
第２の課題は、鉄道車両の客室などに外から侵入する騒音の低減に好適な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することにある。
第３の課題は、機器を収容する筐体の表面から出る騒音の低減に好適な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することにある。
第４の課題は、鉄道車両の走行区間により騒音周波数特性が変化する場合にも、その変化に対応して十分な騒音低減効果が得られる鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の課題を解決する本発明による鉄道車両用アクティブ騒音低減装置は 、磁界の影響を受けない薄型圧電素子を振動板とした圧電型平面スビーカ（圧電駆動型の平面振動板構造スピーカ）、例えば圧電セラミック製スピーカを使用することを特徴としている。パネルの振動を検出する振動検出器と、前記パネルに近接して設けられる圧電型平面スピーカと、前記振動検出器から入力する電気信号に基づいて前記圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、前記圧電型平面スビーカは、逆位相の音を放射する面を前記パネルに向けられている。
上記構成により、パネルの騒音による振動が振動検出器により検出されると、振動検出器からの入力に基づき駆動部が圧電型平面スピーカに音声信号を与えて駆動させる結果、圧電型平面スピーカからその振動を打ち消す逆位相の音が発生する。そのため、パネルから発生する騒音が低減される。
【０００８】
圧電型平面スピーカは、パネルの騒音源側の面に近接して、逆位相の音を放射する面を前記パネルに向けて設けられていることが望ましい。
圧電型平面スピーカの表面からは騒音と逆位相の音が放射され、裏面からは騒音と同位相の音が放射される。従って、逆位相の音を放射する面を前記パネルに向けて、パネルの騒音源側の面に近接して設けられる場合は、パネルの振動抑制効果が大きいので、パネルの騒音源と反対側に到達する騒音は良く減衰される。
【０００９】
上記第２の課題を解決する本発明による鉄道車両用アクティブ騒音低減装置は、客室などに侵入する騒音を低減するための鉄道車両用アクティブ騒音低減装置であって、客室などを構成する外板と内装板のうち、内装板の振動を検出する振動検出器と、前記外板と内装板の間に前記内装板に近接して設けられた圧電型平面スピーカと、前記振動検出器から入力する電気信号に基づいて．前記圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、前記圧電型平面スピーカは、逆位相の音を放射する面を前記内装板に向けられていることを特徴としている。
【００１０】
上記第３の課題を解決する本発明による鉄道車両用アクティブ騒音低減装置は、筐体に収容されている騒音又は振動を発生する機器（以下、騒音発生機器という。）からの振動に基づいて筐体の表面から発生する騒音を低減するための鉄道車両用アクティブ騒音低減装置であって、筐体の振動を検出する振動検出器と、筐体の内壁面に近接して設けられた圧電型平面スピーカと、前記振動検出器から入力する電気信号に基づいて前記圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、前記圧電型平面スピーカは、逆位相の音を放射する面を前記筐体の内壁面に向けられていることを特徴としている。
【００１１】
上記各鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の駆動部は、振動検出器からの電気信号に基づいて圧電型平面スピーカの出力特性を演算する演算回路と、制御対象騒音に適応した適応フィルタと、演算回路の出力を所要の増幅率をもって増幅するアンプとから構成されていることが望ましい。
【００１２】
上記第４の課題を解決する本発明による鉄道車両用アクティブ騒音低減装置は、駆動部が、振動検出器からの電気信号に基づいて圧電型平面スピーカの出力特性を演算する演算回路と、特定の制御対象周波数成分を抽出するための通過周波数特性が異なる複数個の適応フィルタと、前記適応フィルタのうち、走行管理手段から入力する走行区間信号又は走行条件信号に基づき、当該走行区間における騒音周波数特性に対応して予め指定されている適応フィルタを選択するフィルタ選択手段と、前記適応フィルタの出力を所要の増幅率をもって増幅するアンプとからなることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参考にして説明する。
図１は、請求項１の発明に係る鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の基本的構成を概略的に示す概念図である。
この鉄道車両用アクティブ騒音低減装置は、騒音又は振動により車体パネル（以下、単にパネルという場合がある。）Ｐに発生する振動を検出するための既知 の振動検出器１と、音声信号を入力して所定の周波数帯域の音を発生する既知の圧電型平面スピーカ３と、振動検出器１から入力を受けて、所定周波数帯域の音声信号を圧電型平面スピーカ３に入力して駆動する駆動部２とを有している。
【００１４】
振動検出器１は、パネルが外部から受ける振動により発生する振動、あるいは機器筐体が内部より受ける騒音による振動を検出して、検出した振動レベルに対応する電気信号を出力する既知のセンサであり、例えば、マイクロホンあるいは加速度センサが用いられる。
【００１５】
圧電平面スピーカ３は、例えば、圧電セラミックス等で構成された振動板を弾性支持体に支持し、その振動板に電極を接続したものであり、電極を介して音声信号を受けると、所定周波数で振動して音波を発生する。騒音源Ｓから発生する騒音Ｎの周波数帯域に対応する周波数特性を有する圧電型平面スピーカが選択して用いられ、逆位相音を放射する面を、パネルＰの騒音源側の面に対向させ、そのパネルに近接して設置される。
【００１６】
駆動部２は、振動検出器１の出力に基づいてパネルＰの振動を打ち消すのに必要な特定の周波数特性を有する励起信号を生成し、これを増幅して制御信号として圧電型平面スピーカ３に与えて、これを駆動させるものである。
この駆動部２は例えば、図３のように構成される。図３において、演算回路２１と、振動検出器１の出力信号を入力し、パネルの振動を打ち消すに必要な特定の周波数特性を生成する適応フィルタ（以下、ＡＦという。）２２と、前記ＡＦ２２の出力を所要の増幅率をもって増幅するアンプ２３と、ＡＦ２２の出力から振動検出器１までの伝達関数を同定したフィルタ２４及び２５を有している。
【００１７】
演算回路２１は、振動検出器１の出力にフィルタ２４の処理をした信号と振動検出器１の出力を入力して、例えば最小二乗法を用いて振動検出器１の信号が最小となる演算を行い係数更新信号をＡＦ２２に出力し、ＡＦ２２により制御信号を生成する。制御信号はフィルタ２５によって駆動部２の入力にフィードバックされ、ＡＦ２２の出力信号が圧電型平面スピーカ３と振動検出器１を通って制御系が発振するのを防止する。スピーカ３は、最大面積５０ｍｍ×５０ｍｍ程度であり、最大出力音圧は約７０ｄＢ（０．３ｍｍ離れ）程度である。従って、入力騒音によるパネルの振動を打ち消すには、単位面積約１．３ｍ^２当たり、窓部分を除き約１３０個程度を配置すると良い。また、ＡＦ２２の出力からこのスピーカを通って、振動検出器１までの伝達関数は例えば図２に示すようなものである。この特性は外装板から到来する騒音の周波数を十分カバーできることが確認されている。
【００１８】
上記のように構成されている騒音低減装置は、図１に示すように、振動検出器１が侵入騒音ＮによるパネルＰの振動を検出して、その振動レベルに応じた電気信号を騒動部２に入力すると、駆動部２は、演算回路２１が最小二乗法などにより制御信号の生成を行い、ＡＦ２２は振動検出器１からの電気信号のうち特定の周波数特性を持った制御音を出力し、これを制御信号として圧電型平面スピーカ２に入力する。
圧電型平面スピーカ３は、入力した制御信号に従い、表面からは制御対象周波数の音を放射し、裏面からはその逆位相音（抑制音Ｓ）を放射する。そのため、図１に太い実線矢印で大きさが表された原騒音Ｎは、図１に点線矢印で大きさが表された抑制音Ｓにより、図１に細い実線矢印で表されたように減衰される。すなわち、パネルＰを透過する騒音又はパネルから発生する騒音Ｎは弱いものとなる。
【００１９】
図４は、本発明の第１の実施の形態、すなわち、請求項１の発明を超電導磁気浮上式鉄道車両その他の鉄道車両の車内騒音低減用に適用した騒音低減装置の構成を概略的に示す模式図である。
図４において、Ｈ１は鉄道車両の車体を構成し、客室、通路又は出入り口などを車外から隔絶するものである。車体Ｈ１は、外板（又は外壁）Ｐ１と、内装板Ｐ２とを有する。
【００２０】
そして、本発明の所期の目的を達成するため、内装板Ｐ２の振動を検出するための振動検出器１が取付けられ、外板Ｐ１と内装板Ｐ２の間において内装板Ｐ２に近接させて圧電型平面スピーカ３が備えられ、車両内の任意の位置に、振動検出器１からの入力に基づいて圧電型平面スピーカ３を駆動させる駆動部２が設けられている。圧電型平面スピーカ３は、駆動部２からの制御信号に基づき振動板から逆位相の音を放射する面を内装板２Ｐに向けて取付けられている。
駆動部２は、振動検出器１で検出した内装板１２の振動が最小になるように、圧電型平面スピーカ３からの放射音を制卸する。このために、演算回路２１は振動検出器からの信号に基づいて最小二乗法のような演算を行う。
【００２１】
こうして、平面スピーカ３から内装板２Ｐに向けて車体Ｈ１に侵入した騒音と逆位相の音が放射されるので、侵入騒音による内装板２Ｐの振動、すなわち、騒音は、逆位相の音により打ち消されるため、低減される。
【００２２】
上記の実施の形態によれば、外板１１と内装板１２の間に圧電型平面スピーカ３を設けた構造であるので、軽量薄型タイプの鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することができ、さらに圧電型スピーカ３は、動電型スピーカと異なり、変動磁界の影響を受けるヨークや可動コイルを有しないので、変動磁界が存在する超電導磁気浮上式鉄道車両において有効確実な騒音低減が可能である。
【００２３】
図５は、本発明の第２の実施の形態、すなわち、請求項１の発明を騒音発生機器を収容する箇所に、その表面からの騒音発生を抑制するために適用した鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の構成を概略的に示す模式図である。
Ｈ２は機器の筐体であり、その内壁面に振動検出器１が取付られている。この振動検出器を設ける位置及び数は、筐体Ｈ２の振動を検出して抑制するに必要な場所及び数である。また、筐体Ｈ２の内側には、騒音発生機器Ｍの周囲の筐体Ｈ２の内壁面に近い位置において、圧電型平面スピーカ３が筐体Ｈ２の内壁面と平行な平面を形成するように、また、逆位相音の放射面を筐体Ｈ２の内壁面に向けて配設されている。そして、各振動検出器１と各圧電型平面スピーカ３は、それぞれ筐体Ｈ２内又は外の任意の位置に備えられた駆動部２の入力端子及び出力端子に電気的に接続されている。駆動部２は、図３と同一の構成を複数個有するものである。
【００２４】
上記構成により、筐体Ｈ２内の騒音発生機器Ｍから出る騒音又は振動により筐 体Ｈ２が振動する時は、その振動が各振動検出器１により検出され、その検出値に対応する出力が駆動部２に入力される。駆動部２は、各振動検出器１から入力した電気信号に基づいて、演算回路２１、ＡＦ２２及びアンプ２３により、特定の制御対象周波数を抽出し、その振動周波数に対応する音声信号を増幅して出力し、それぞれ対応する圧電型平面スピーカ３に与える。
【００２５】
これに基づき、各圧電型平面スピーカ３は、その入力した音声信号に基いて所定周波数の騒音と逆位相の音を筐体Ｈ２に向けて放射する。従って、筐体Ｈ２の騒音による振動が抑制される。この実施の形態によれば、例えば、超電導浮上式鉄道車両内などの変動磁界環境内の騒音又は騒音発生機器による騒音又は振動の低減が可能である。
【００２６】
続いて、本発明をさらに発展させた第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態は、上記第１の実施の形態において、駆動部２の駆動を、当該鉄道車両の走行制御装置など走行管理手段から供給される走行条件信号に基づいて制御するようにしたものである。さらに詳述すると、走行条件信号とは、列車速度、トンネル内走行、トンネル外走行（明り走行）、すれ違い走行、橋上走行などを示す信号の少なくとも一つであり、当該列車の走行区間について予め設定されているものであり、当該列車の現実の走行区間に達した時に駆動部２に入力される。駆動部２は、これらをパラメータとして駆動部の制御信号を生成するものである。
【００２７】
列車走行条件と、列車内騒音と、上記パラメータとの間には相関関係が存在していることが、これまでの列車内騒音測定結果等により認められている。
例えば、図６に例示するように、列車の走行管理手段には、各走行区間Ａ１，Ａ２…に対して、明り走行（開放区間の走行）、トンネル内走行、橋上走行、高速走行、すれ違い走行、などの走行条件が予め設定されているが、各走行条件における騒音周波数特性は、事前の計測により知られている。それぞれを図６ではｆ１，ｆ２…とする。
そこで、第３の実施の形態における駆動部２には、図７に示すように、演算回路２１の後段に、通過周波数が異なる複数個のＡＦ１，ＡＦ２…とフィルタ選択回路を設ける。ＡＦ１，ＡＦ２…の通過周波数帯域は、各走行区間における特定の騒音周波数特性に対応する。また、ＡＦ１，ＡＦ２…のうち、現実の走行区間において走行管理装置４からの走行区間又は走行条件を認識する出力に基づき、その走行条件出力に対応する特定のＡＦを選択するフィルタ選択回路２４が設けられている。
【００２８】
上記構成により、列車が、列車に振動が発生しやすい所定の走行区間を走行する時は、走行管理装置４からの走行条件出力に基づき、フィルタ選択回路２４が当該走行条件に対応する特定のＡＦを選択する。従って、振動検出器１からの振動検知出力のうち、特定の制御対象周波数がその特定のＡＦにより抽出され、そのフィルタからの出力がアンプ２３により振動の打ち消しに必要な強さに増幅されて各圧電型平面スピーカ３に入力されることにより、特定の制御対象周波数と共通の周波数帯域の逆位相の音が列車車両の内装板に向けて放射され、内装板の振動又はその振動に基づく騒音が打ち消される。従って、その列車内の騒音が軽減される。
【００２９】
従って、当該列車のその時々の走行条件において伝搬すると予想される周波数及びレベルの異なる騒音を、各圧電型平面スピーカから放射される音により、有効に低減することができる。
この実施の形態の場合は、駆動部は、超高速で走行する際の走行条件の変化にも瞬時に対応することが可能となり、振動検出器を使用して、その検出値を走行条件に基く制御量に加味することにより、一層有効かつ確実な騒音低減を実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように、請求項１の発明は、振動検出器から入力する騒音又は振動に対応する電気信号に基づいて圧電型平面スピーカを駆動し、騒音と逆位相の音をパネルに向けて放射させるようにしたものであるから、アクチュエータとして電動型スピーカを用いる従来技術と異なり、変動磁界の存在する環境の中でも、その影響を受けずに騒音低減が可能な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することができる。
【００３１】
請求項３の発明によれば、車体の外から伝搬する騒音の低減が可能であり、圧電型平面スピーカを用いるので、軽量薄型タイプの鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の構築が可能であり、とくに超電導磁気浮上式鉄道車両において有効な騒音低減が可能である。
【００３２】
請求項４の発明によれば、騒音又は振動を発生する機器を収容する筐体の表面から発生する騒音の低減が可能である。
【００３３】
請求項６の発明によれば、列車の走行区間により周波数特性が異なる騒音の発生に対してダイナミックに対応して騒音低減が可能な鉄道車両用アクティブ騒音低減装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の構成を概念的に示すブロック図。
【図２】圧電型平面スピーカから振動検出器までの伝達特性の一例を示すグラフ。
【図３】駆動部の構成の一例を示すブロック図。
【図４】本発明の第１の実施の形態である鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の構成を概略的に示す模式図。
【図５】本発明の第２の実施の形態である鉄道車両用アクティブ騒音低減装置の構成を概略的に示す模式図。
【図６】各走行区間における列車走行条件と騒音周波数特性との関係を例示する表。
【図７】本発明の第３の実施の形態である鉄道車両用アクティブ騒音低減装置で用いる駆動部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
Ｎ 騒音源
Ｓ 制御音
Ｐ 制御対象パネル
Ｈ１ 車体構体
１１ 車体構体外板
１２ 内装パネル
Ｈ２ 機器筐体
Ｍ 機器内部装置
１ 振動検出器
２ 駆動部
２１ 演算回路
２２ 適応フィルタ（ＡＦ）
２２１、２２２，２２３ 適応フィルタ（ＡＦ）
２３ アンプ
２４ フィルタ選択回路
３ 圧電型平面スピーカ
４ 走行管理装置

Claims (6)

1. 車体室内外へ放射音を出しうる車体パネルや搭載機器表面の振動を抑制し、前記振動に起因する騒音を低減する装置において、前記車体パネルや搭載機器表面の振動又は騒音を検出する検出器（以下、振動検出器という。）と、前記振動検出器の出力を入力とする駆動部と、前記駆動部の出力を入力し制御音として放射するアクチュエータからなり、前記駆動部は前記振動検出器で検出した前記車体パネルや搭載機器の振動を低減するように前記アクチュエータを駆動し、前記アクチュエータは圧電型平面スピーカであることを特徴とする鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。
2. 圧電型平面スピーカは、車体パネルの騒音源側の面に近接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。
3. 鉄道車両の客室あるいはトイレ貫通路などの付帯室内空間（以下、客室などという。）を構成する外板と内装板のうち、内装板の振動又は騒音を検出する振動検出器と、前記外板と内装板の間に前記内装板に近接して設けられた圧電型平面スピーカと、前記振動検出器から入力する電気信号に基づいて前記圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、前記圧電型平面スピーカは、前記振動検出器の位置で外装板方向から到来する騒音と逆位相となる制御音を放射する面を前記内装板に向けられていることを特徴とする客室などに伝播する騒音を低減するための鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。
4. 騒音又は振動を発生する機器を収容する筐体（以下、機器筐体という。）の表面の振動を検出する振動検出器と、前記機器筐体の内壁面に近接して設けられた圧電型平面スピーカと、前記振動検出器から入力する電気信号に基づいて前記圧電型平面スピーカを駆動する駆動部とを有し、前記圧電型平面スピーカは、前記振動検出器の位置で前記騒音又は振動を発生する機器からの騒音と逆位相となる制御音を放射する面を前記機器筐体の内壁に向けられていることを特徴とする機器筐体表面から発生する騒音を低減するための鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。
5. 駆動部は、振動検出器からの電気信号に基づいて圧電型平面スピーカの出力特性を演算する演算回路と、制御対象騒音に適応した適応フィルタと、前記演算回路の出力を所要の増幅率をもって増幅するアンプとからなる請求項１，２，３又は４に記載された鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。
6. 駆動部は、振動検出器からの電気信号に基づいて圧電型平面スピーカの出力特性を演算する演算回路と、特定の制御対象周波数成分を抽出するための通過周波数帯域が異なる複数個の適応フィルタと、前記適応フィルタのうち、走行管理手段から入力する走行区間信号又は走行条件信号に基づき、当該走行区間における騒音周波数特性に対応して予め指定されている適応フィルタを選択するフィルタ選択手段と、前記適応フィルタの出力を所要の増幅率をもって増幅するアンプとを含むことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載された鉄道車両用アクティブ騒音低減装置。

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