JP2005096498A - 車両デッキａｎｃ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉄道車両のデッキ部において携帯電話で話をする人の空間に限定して消音を行うようにした車両デッキＡＮＣ装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の車両デッキＡＮＣ装置１は、演算処理手段２１〜２５からの制御信号によって制御音発生手段１１から出力された制御音を、鉄道車両のデッキ部内の騒音と干渉させて消音を行うものであって、音検出手段１２が、一つであって制御音発生手段１１の直前に配置され、デッキ部内の騒音と制御音発生手段から１１の制御音とを収集するものであり、演算処理手段２１〜２５が、音検出手段１２によって得られた音からそこに含まれる制御音を除く処理を行うことで元騒音を得て、適応制御をかけながらフィードバックさせて生成した制御信号を制御音発生手段１１へ送るようにしたものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、騒音に対して制御音（干渉音）を発生させて能動的に騒音を低減させるＡＮＣ（アクティブ・ノイズ・コントロール）装置に関し、特に鉄道車両の出入口デッキ部の騒音低減を目的とした車両デッキＡＮＣ装置に関する

鉄道車両の出入口デッキ部には公衆電話が設置されており、デッキ部にそのまま取り付けられたり、デッキ部とは壁で仕切られた電話室内に取り付けられたりしている。こうした公衆電話の周囲の空間に対してＡＮＣ装置を用いて走行中の騒音の低減を図り、電話しやすくしたものが特開平７−３１９４８０号公報に開示されている。図６は、同公報に記載されたＡＮＣ装置を示す図であり、こうして構成されたＡＮＣ装置によって車両デッキ部内の騒音低減が図られている。そこで、次にそのＡＮＣ装置の作用について簡単に説明する。

マイクロホン１０１で騒音が検出されると、その騒音がＡ／Ｄ変換器１１１でディジタル信号に変換され、適応フィルタ１１２で信号処理されてＤ／Ａ変換器１１３によってアナログ信号に変換される。そして、そのアナログ信号がスピーカ１０２に入力して音響に変換されると、変換された音響が誤差検出器１０３により検出される。一方、列車等の移動物体の走行速度に依存して発生する騒音は、列車内の空間を伝ぱんして同じく誤差検出器１０３によって検出される。従って、ＡＮＣ装置では、この列車内の空間を伝ぱんして評価点に到達する騒音信号をスピーカ１０２によって打ち消すことになるが、この評価点における誤差検出器１０３によって検出された信号が消し残りとして誤差信号となる。また、適応フィルタ１１２では、マイクロホン１０１の検出信号が制御伝達特性を持つ畳み込み演算器で演算され、乗算器によって誤差検出器１０３により検出された誤差信号と乗算して、適応フィルタ１１２に誤差信号が最小となるように係数更新が行われる。
特開平７−３１９４８０号公報（第４頁、図１）

しかし、前記特許文献１のＡＮＣ装置は、車両に設置されている電話機の空間を消音するものであるのに対し、最近では携帯電話が普及し、乗客も備え付けの電話ではなく携帯電話で連絡を取り合うようになっている。その場合、客室内での携帯電話の通話は他の乗客への迷惑になることから、車内放送でもデッキでの通話が呼びかけられている。ところが、鉄道車両のデッキ部は、車体全体の軽量化のために吸音材が除かれているなど、客室に比べて騒音が大きく、相手の話し声が騒音にかき消されてしまい通話がし難いという問題があった。一方、デッキ部には他の乗客が居ることもあるが、相手の話し声が聞き取りにくい反面、通話内容が他の乗客には聞こえ難い面でのメリットもあった。

そこで本発明は、鉄道車両のデッキ部において携帯電話で話をする人の空間に限定して消音を行うようにした車両デッキＡＮＣ装置を提供することを目的とする。

本発明の車両デッキＡＮＣ装置は、制御音を出力する制御音発生手段と、その制御音の伝播先に配置された音検出手段と、前記音検出手段の検出信号に基いて演算加工を行うことにより制御信号を生成して前記制御音発生手段に送信する演算処理手段とを有し、その演算処理手段からの制御信号によって制御音発生手段から出力された制御音を、鉄道車両のデッキ部内の騒音と干渉させて消音を行うものであり、前記音検出手段は、一つであって前記制御音発生手段の直前に配置され、デッキ部内の騒音と前記制御音発生手段からの制御音とを収集するものであり、前記演算処理手段は、前記音検出手段によって得られた音からそこに含まれる制御音を除く処理を行うことで元騒音を得て、適応制御をかけながらフィードバックさせて生成した制御信号を前記制御音発生手段へ送るようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明の車両デッキＡＮＣ装置は、前記制御音発生手段及び音検出手段を一つの制御音発生部としてユニット化し、当該制御発生部と前記演算処理手段とを鉄道車両のデッキ壁面に埋設したものであり、前記制御音発生部にはデッキ壁面に沿ってカバーが設けて音の伝播を可能にしたものであることを特徴とする。
また、本発明の車両デッキＡＮＣ装置は、前記制御音発生手段は、後方にエンクロージャを備えた平面スピーカであることを特徴とする。

本発明の車両デッキＡＮＣ装置によれば、制御音発生手段の手前におけるわずかな空間で消音効果が得られ、デッキ壁面に沿って立ち携帯電話を制御音発生手段の前にもってくるようにすれば、車両デッキ部内の騒音を抑えた空間で通話することが可能になる。その一方で、騒音低減エリアが限定されているため、携帯電話利用者が話す声は車両デッキ部内の騒音にかき消され、そこに居る他の乗客には聞こえ難い状況となっている。よって、本発明によれば、鉄道車両のデッキ部において携帯電話で話をする人の空間に限定して消音を行うようにすることができる。更に本発明では、音検出手段を一つにしてフィードバック方式を採用したので、構成を単純にして装置の小型化やコストの低下をはかることができる。そして、デッキ壁面内に埋設したことによってデッキ部内にスペースを必要とせず、外観を損なうこともない。

よって、本発明は、制御音を出力する制御音発生手段と、その制御音の伝播先に配置された音検出手段と、前記音検出手段の検出信号に基いて演算加工を行うことにより制御信号を生成して前記制御音発生手段に送信する演算処理手段とを有し、その演算処理手段からの制御信号によって制御音発生手段から出力された制御音を、鉄道車両のデッキ部内の騒音と干渉させて消音を行うものであり、前記音検出手段を、一つにして前記制御音発生手段の直前に配置し、デッキ部内の騒音と前記制御音発生手段からの制御音とを収集するようにし、前記演算処理手段を、前記音検出手段によって得られた音からそこに含まれる制御音を除く処理を行うことで元騒音を得て、適応制御をかけながらフィードバックさせて生成した制御信号を前記制御音発生手段へ送るようにする構成としたので、鉄道車両のデッキ部において携帯電話で話をする人の空間に限定して消音を行うようにした車両デッキＡＮＣ装置を提供することが可能になる。

次に、本発明に係る車両デッキＡＮＣ装置について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の車両デッキＡＮＣ装置につて、鉄道車両のデッキ部への設置状態を示した図である。図１に示す車両デッキは、新幹線車両のデッキ部をイメージしたものであり、出入り扉１１０の隣りには、透視状態で示したゴミ箱１２０が内設さたデッキ壁面１００がある。車両デッキＡＮＣ装置（以下、単に「ＡＮＣ装置」とする）１は、図示するように制御音発生部１０とＡＮＣ制御盤２０とに分けて構成され、これらがデッキ壁面１００内に設置されている。特にＡＮＣ制御盤２０は、ゴミ箱１２０の前方の小スペースの空間に、本来は外部から見えないように設置されている。

次に図２は、制御音発生部１０の構造を具体的に示した図である。制御音発生部１０には先ず、騒音を打ち消すための制御音（干渉音）を発生する制御音発生スピーカ１１が設けられている。そして、その制御音発生スピーカ１１には、狭いスペースへの設置のため平面スピーカが使用されている。消音制御には従来からコーンスピーカが使用されているが、性能比較を行ったところ、平面スピーカがコーンスピーカより低周波数から高周波数までの位相特性に優れていることが分かった。従って、本実施形態では、こうした点も考慮して制御音発生スピーカ１１に平面スピーカを採用している。

制御音発生スピーカ１１の横からは案内棒１５が伸び、その先端に評価マイク１２が取り付けられている。制御音発生部１０には、制御音発生スピーカ１１の裏側になるデッキ壁面１００の奥に、制御音発生スピーカ１１による裏面への音の放射を防止するためエンクロージャ１３が配置されている。エンクロージャ１３は、それ自身の内部で音が反響しないようにグラスウールが充填されている。そして、評価マイク１２の前には、デッキ壁面１００に沿うようにパンチングメタルのカバー１４が取り付けられている。

次に、図３は、こうした制御音発生部１０とＡＮＣ制御盤２０とを含むＡＮＣ装置１全体の構成を示したブロック図である。このＡＮＣ装置１は、前述した制御音発生スピーカ１１と評価マイク１２とを有している。そして、その評価マイク１２には、制御音発生スピーカ１１から出力した制御音を評価マイク１２で収集した音から減算する演算器２１が接続されている。さらに評価マイク１２には、アルゴリズムに基づいて評価マイク１２からの検出信号がゼロになるように演算係数を調整する適応フィルタ係数演算器２２が接続されている。

また、演算器２２には、元騒音についてのみ制御演算（位相反転演算）を行う伝達特性同定フィルタ２３と、制御音発生スピーカ１１の制御手段である適応フィルタ２４とが接続されている。ここで、「元騒音」とは、評価マイク１２で検出された音のうち、制御音発生スピーカ１１から出力された制御音を差し引いた車両デッキ内の騒音そのものをいう。そして、その適応フィルタ２４には、制御対象となる制御音発生スピーカ１１の他に、制御音発生スピーカ１１から出力した制御音を演算器に送る伝達特性同定フィルタ２５が接続されている。

本実施形態のＡＮＣ装置１は、こうした構成により、評価マイク１２で検出した音に対してマイク位置で同振幅・逆位相となる音を演算し（音波として作り出し）、制御音発生スピーカ１１から制御音を出力するフィードバック方式（追従演算方式）を採用したものである。ところでＡＮＣ装置には、こうしたフィードバック方式の他にも、騒音検出マイクで検出した音から消音を行う位置での音を予測し、そこで同振幅・逆位相となる音を演算して（音波として作り出して）制御音を出力し、評価マイクで収集した騒音からその残差成分（低減しきれなかった騒音）を演算して、評価マイク位置での音圧を最小にするよう予測演算を行うフィードフォワード方式（予測演算方式）を採用したものもある。図４は、そうしたフィードフォワード型ＡＮＣ装置を示したブロック図である。

フィードフォワード方式を採用したこのＡＮＣ装置５０では、先ず、図３に示したフィードバック型のＡＮＣ装置１にはない、騒音源に設置された騒音検出マイク５１を有し、それが伝達特性同定フィルタ５３と適応フィルタ５４とに接続されている。一方、評価位置に設置された評価マイク５２には適応フィルタ係数演算器５５が接続され、その適応フィルタ係数演算器５５には、伝達特性同定フィルタ５３が接続されている。更に適応フィルタ係数演算器５５は、アルゴリズムに基づいて評価マイク５２からの検出信号がゼロになるように演算係数を演算し、その演算結果を制御音発生スピーカ５６を駆動させる適応フィルタ５４に送るように構成されている。

ところが、鉄道車両のデッキ部において適応能動制御によって消音を行う場合、フィードフォワード方式を採用することの効果が得られなかった。すなわち、鉄道車両のデッキ部は、そこでの騒音が定在波音場および拡散音場と予想される。これは「騒音源の特定ができない」ということを示している。そのため、騒音源に配置すべきである騒音検出マイク５１の位置が特定できず、フィードフォワード方式のＡＮＣ装置は騒音検出マイク５１を設置すること自体非常に困難であった。また、仮に特定できたとしても鉄道車両のデッキ部には騒音源が多数存在すると考えられるため、そうした箇所に複数の騒音検出マイク５１を設置する必要が生じ、構成の複雑化に加えて装置の大型化やコストの面でも好ましくない。

そこで本実施形態では、騒音源の特定を必要とせず、騒音検出マイクを必要としないフィードバック方式を採用し、前述した図３に示すＡＮＣ装置１が構成されている。また、本実施形態では、デッキ部騒音のような速度依存性騒音を低減するために、その瞬間の音場に合わせて制御を自動補正することが可能なデジタル型を採用している。更に、本実施形態では、ＡＮＣ制御盤２０で行われる演算を、対象とする信号の非定常性・時変性などを扱うことに優れている適応制御で実施する構成になっている。

次に、こうしたフィードバック方式を採用した本実施形態のＡＮＣ装置１の作用について説明する。図３に示す本実施形態のＡＮＣ装置１によれば、評価マイク１２で収集した音に対して位相反転演算が行われて、制御音発生スピーカ１１から制御音が出力される。その際、評価マイク１２には、車両デッキ内に生じる騒音と、位相反転演算によって制御音発生スピーカ１１から出力された制御音との加算された音が収集されている。そして、この音が次の演算に送られてしまうと、自ら出力した制御音に対しても演算を行うことになってしまい、この繰り返し演算が行われることがハウリングにつながって、システムを不安定にすることになってしまう。そこで、本実施形態ではこの状態を避けるためにあらかじめシステム同定を行い、伝達特性同定フィルタを構築しておく。

評価マイク１２では、元騒音と、制御音発生スピーカ１１から出力された制御音とが収集され、その収集された音による検出信号が演算器２１に送られる。一方、適応フィルタ２４からは、そこで生成した制御信号が、制御音発生スピーカ１１に与えられると共に、伝達特性が設定された伝達特性同定フィルタ２５を介して演算器２１の減算入力端子にも与えられる。伝達特性同定フィルタ２５の伝達特性は、制御音発生スピーカ１１から評価マイク１２に至る伝達経路の音響伝達特性と同じ伝達特性である。
従って、演算器２１では、こうした評価マイク１２からの検出信号と適応フィルタ２４からの制御信号とによって、評価マイク１２で収集された音から制御音発生スピーカ１１によって出力された制御音を減算することで元騒音を得ることが行われる。これによって本実施形態では、元騒音についてのみ制御演算（位相反転演算）を実行することができ、ハウリングが発生する機会を減らし、システムの安定を高めることを可能としている。

ここで、図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態で実行するシステム同定のイメージを波形で示した図であり、このうち図（ａ）は、制御音発生スピーカ１１の出力波形、図（ｂ）は評価マイクで検出した波形、図（ｃ）は制御音発生スピーカ１１の出力音が評価マイク１２に到達したと思われる波形、そして図（ｄ）は元騒音の波形を示している。例えば、ある周波数で制御音発生スピーカ１１が駆動した場合、制御音発生スピーカ１１から出力されて評価マイク１２に至るまでの間に、図５（ａ）に示す波形が図５（ｃ）に示すように振幅１／２倍、位相π／２遅れを示す波形になっている特性であるものとする。このような情報をあらかじめ得ておけば、図５（ｂ）に示すように、実際に評価マイク１２で検出した音から制御音発生スピーカ１１で出力した音をひくことによって、図５（ｄ）に示す騒音そのものの波形を検出することができる。なお、システム同定とは、実際には、制御音発生スピーカ１１をホワイトノイズで駆動し、広帯域で系の位相差・振幅差を得ることをいう。

評価マイク１２の検出信号は、演算器２１を介して伝達特性が設定された伝達特性同定フィルタ２３と適応フィルタ２４とに入力される。伝達特性同定フィルタ２３の伝達特性は、制御音発生スピーカ１１から評価マイク１２に至る伝達経路の音響伝達特性と同じ伝達特性である。この場合、伝達特性同定フィルタ２３を介在させているのは、評価マイク１２により検出された信号が、制御音発生スピーカ１１から伝播して評価点に至る経路の音響伝達特性を考慮するようにしているからである。

適応フィルタ係数演算器２２は、伝達特性同定フィルタ２３から信号が与えられると共に評価マイク１２からの検出信号が与えられるようになっており、アルゴリズムに基づいて、評価マイク１２から与えられる検出信号がゼロになるように適応フィルタ２４の演算係数の調整が行われる。そして、適応フィルタ２４ではその演算係数に基づき、騒音と干渉を起こさせて消音するための制御信号が演算される。適応フィルタ２４からは、その制御信号が制御音発生スピーカ１１へと送られ、制御音発生スピーカ１１から出力された制御音が、評価点において車両デッキ内を伝播してきた騒音の振幅と同振幅で且つ逆位相となって騒音と干渉を起こして打ち消し合うことにより消音する。

なお、ＡＮＣ装置において本実施形態のように適応形能動消音制御を行う場合には、前述したように伝達特性同定フィルタ２３や伝達特性同定フィルタ２５の音響伝達特性を設定するため、その制御動作に先立って鉄道車両デッキにおける実際の音響伝達特性をあらかじめ測定しておく必要がある。これらの音響伝達特性が正確に設定されていることが適応能動制御を行う上での前提となっているからであり、十分な消音効果を得るための条件だからである。

本実施形態のＡＮＣ装置１を設置した鉄道車両では、携帯電話を利用しようとする乗客は車両デッキ部に出てデッキ壁面１００の前に立って通話を行うことになる。そこで、図１に示すように設置したＡＮＣ装置１について、騒音低減エリアの確認を行った。具体的には、制御音発生部１０の前に複数のマイクを並べたマイクアレイを配置して、そのマイクを配置したエリアにおける騒音低減量を確認した。すると、騒音低減エリアは、制御音発生部１０の評価マイク１２を中心とするように半球状になっていることが確認できた。

従って、本実施形態のＡＮＣ装置１によれば、デッキ壁面１００に沿って立ち携帯電話を制御音発生部１０の前にもってくるようにすれば、車両デッキ部内の騒音を抑えた空間で通話することが可能になる。その一方で、騒音低減エリアが限定されているため、携帯電話利用者が話す声は車両デッキ部内の騒音にかき消され、そこに居る他の乗客には聞こえ難い状況となっている。よって、本実施形態のＡＮＣ装置１によれば、鉄道車両のデッキ部において携帯電話で話をする人の空間に限定して消音を行うようにすることができる。

また、本実施形態では、制御音発生スピーカ１１に平面スピーカを使用しているが、これによればコーンスピーカよりも位相特性が良くＡＮＣ向きであり、更に奥行きのない薄型かつ軽量であるためコンパクトで簡素な構成とすることができた。
また、本実施形態のＡＮＣ装置１では、１個の評価マイク１２によって済ませられるフィードバック方式としたので、システムの簡素化を図ることができた。そして、評価マイク１２が１個であることも装置をコンパクトで簡素な構成とすることに寄与している。

以上、本発明に係る車両デッキＡＮＣ装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、制御音発生スピーカ１１を備えた制御音発生部１０を車両デッキ内のデッキ壁面１００に固定するようにしたが、騒音低減エリアを利用者によって変えられるようにスライドを付けて上下させるようにしてもよい。

一実施形態の車両デッキＡＮＣ装置を鉄道車両のデッキ部へ設置した状態を示した図である。 車両デッキＡＮＣ装置を構成する制御音発生部の構造を具体的に示した図である。 一実施形態の車両デッキＡＮＣ装置について示したブロック図である。 フィードフォワード方式の車両デッキＡＮＣ装置を示したブロック図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、システム同定のイメージを波形で示した図である。 鉄道車両に設けられた従来のＡＮＣ装置を示した図である。

符号の説明

１ 車両デッキＡＮＣ装置
１０ 制御音発生部
１１ 制御音発生スピーカ
１２ 評価マイク
１３ エンクロージャ
１４ カバー
２０ ＡＮＣ制御盤
２１ 演算器
２２ 適応フィルタ係数演算器
２３ 伝達特性同定フィルタ
２４ 適応フィルタ
２５ 伝達特性同定フィルタ

Claims (3)

1. 制御音を出力する制御音発生手段と、その制御音の伝播先に配置された音検出手段と、前記音検出手段の検出信号に基いて演算加工を行うことにより制御信号を生成して前記制御音発生手段に送信する演算処理手段とを有し、その演算処理手段からの制御信号によって制御音発生手段から出力された制御音を、鉄道車両のデッキ部内の騒音と干渉させて消音を行う車両デッキＡＮＣ装置において、
   前記音検出手段は、一つであって前記制御音発生手段の直前に配置され、デッキ部内の騒音と前記制御音発生手段からの制御音とを収集するものであり、前記演算処理手段は、前記音検出手段によって得られた音からそこに含まれる制御音を除く処理を行うことで元騒音を得て、適応制御をかけながらフィードバックさせて生成した制御信号を前記制御音発生手段へ送るようにしたものであることを特徴とする車両デッキＡＮＣ装置。
2. 請求項１に記載する車両デッキＡＮＣ装置において、
   前記制御音発生手段及び音検出手段を一つの制御音発生部としてユニット化し、当該制御発生部と前記演算処理手段とを鉄道車両のデッキ壁面に埋設したものであり、前記制御音発生部にはデッキ壁面に沿ってカバーが設けて音の伝播を可能にしたものであることを特徴とする車両デッキＡＮＣ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する車両デッキＡＮＣ装置において、
   前記制御音発生手段は、後方にエンクロージャを備えた平面スピーカであることを特徴とする車両デッキＡＮＣ装置。

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