JP2005134632A - 低周波騒音抑制機構を有する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元低周波騒音を簡便な構成で効果的に低減すること。
【解決手段】 ３次元低周波騒音を発する騒音源１と、３次元低周波騒音を観測し、当３次元低周波騒音の消音波を生成する制御部９と、消音波を出力するスピーカー２とを有し、スピーカー２が、騒音源１の略鉛直上方又は下方に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は送風機などの低周波騒音源を有する装置に関し、特にその低周波騒音の低減技術に関する。

騒音問題は大きな環境問題であり、さまざまな対策が検討されている。最もよく知られているのは吸音材や遮音材による防音壁を用いて騒音を抑制する方法である。このような、発生した騒音を受け止め、吸収・遮断することにより騒音を抑制する騒音制御は、受動的な騒音制御ということができる。

一方、ＡＮＣ(Active Noise Control)と呼ばれる、能動的な騒音制御も知られている。ＡＮＣ技術は、騒音と同振幅、逆位相の信号を生成し、音波干渉により騒音を低減させるもので、自動車の車内騒音低減や屋外で使用するヘッドホンの環境雑音低減などに用いられている。

特にＡＮＣは、約５００Ｈｚ以下の所謂低周波雑音にも対応可能な方法として注目されている。すなわち、低周波数の雑音は、回折性、透過性が高いため、防音材や遮音剤によって減衰させづらく、例えば防音壁を用いる場合、有意な効果を得るには１００ｍｍ以上の厚さとする必要がある。また、距離減衰が少ないため、騒音源を遠ざけてもあまり効果がない。

これに対し、ＡＮＣを用いた騒音制御は、音波干渉を利用して雑音を抑制する方法であるため、原理的に騒音の周波数とは関係なく効果が期待できる。そのため、ＡＮＣを用いた騒音抑制技術について様々な検討、提案がなされている。特にダクト内を伝達する騒音のように、一方向に伝達される低周波騒音（１次元ノイズ）については、効果を得やすいこともあり、既にいくつかの実例も存在する。

伝達方向が制限されない低周波騒音（３次元ノイズ）の抑制についても検討がなされており、例えば特許文献１には、騒音源を囲む複数のスピーカーから単一の騒音源に向かって制御出力信号（消音波）を発することにより、３次元ノイズを低減する３次元能動消音装置が開示されている。

特開２００３−９１２８７号公報

しかしながら、特許文献１記載の装置では、複数のスピーカーを用いるため、スピーカーが発生する消音波同士が干渉して増幅される部分が存在し、消音効果が低い上、装置を配置する場所にも制限があり、またコスト的にも不利である。

結局のところ、現時点で３次元低周波雑音を低減する効果的な方法は存在せず、大型設備を複数の小型設備に置き換えたり、夜間は稼働しないなどの時間短縮を行ったり、非常に厚い防音壁を設けたりする方法をとらざるを得ない。これらはいずれも効率の悪化や追加コストを招くため好ましくない。

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は３次元低周波騒音を効果的に抑制することにある。

上述の目的は、３次元低周波騒音を発する騒音源と、３次元低周波騒音を観測し、当３次元低周波騒音の消音波を生成する消音波生成手段と、消音波を出力するスピーカーとを有し、スピーカーが、騒音源の略鉛直上方又は下方に配置されていることを特徴とする装置によって達成される。

このような構成により、簡便な構成で３次元低周波騒音を効果的に低減することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明が対象とする低周波騒音とは周波数が略５００Ｈｚ以下の騒音を主に意味する。これ以上の周波数を有する騒音に対しても本発明は有効であるが、吸音材、遮音材の効果が小さい略５００Ｈｚ以下の低周波騒音に対して特に効果がある。

低周波騒音の特徴は先に述べた回折性、透過性の高さ、距離減衰の低さに加え、指向性の低さがある。従って、騒音と同振幅、逆位相の消音波が生成できれば、消音波の出力源の数は１つでよい。しかしながら、騒音源と消音波出力源（実際にはスピーカーであるため、以下単にスピーカーという）との距離が離れると騒音と消音波との位相ずれが生じ、同位相になってしまうと騒音が２倍に増幅されてしまう。理論的には騒音源と同一位置にスピーカーを配置することが好ましい。しかしながら、実際にはそのような配置は不可能である。

そのため、少なくとも消音波によって騒音が増幅されて聞こえる領域（以下、このような領域を増幅領域と呼ぶことにする）がないようにスピーカーを配置することが事実上最も好ましい。

今、騒音をｓｉｎωｔ、消音波をｓｉｎ（ωｔ−θ）、θを騒音源とスピーカーとの距離による位相差（°）とすると、騒音と消音波との合成波は、
ｓｉｎωｔ＋ｓｉｎ（ωｔ−θ）
＝２ｃｏｓ（θ／２）ｓｉｎ（ωｔ−θ／２） （１）
と表すことが出来る。

式（１）で表される合成波の振幅２ｃｏｓ（θ／２）の絶対値が常に１未満であれば、どの場所でも消音波による騒音低減効果が得られることになる。
具体的には、２４０°＞θ＞１２０°であれば、２ｃｏｓ（θ／２）＜１を満たす。

ここで、消音波はもともと騒音と逆位相であるため、θ＜±６０°を満たせば良いことになる。位相差が６０°未満となるためには騒音源（より厳密には消音したい周波数ｆ）の波長をλ［ｍ］とすると、騒音源とスピーカーとの距離Ｄ［ｍ］がλ×６０°／３６０°よりも小さい、すなわち
Ｄ＜λ／６ 又は Ｄ＜ｃ／６ｆ（ｃは音速）の条件を満たせば、どの場所においても騒音が抑制される。

換言すれば、受音点から騒音源までの距離と、受音点からスピーカーまでの距離の差の最大値がＤに等しく、その条件で騒音が増幅されなければいかなる受音点においても消音効果が実現される。

例えば、５０［Ｈｚ］の騒音を消音したい場合、音速ｃが３３１．５＋０．６１ｔ［ｍ／ｓ］（ｔは温度（℃））とすると、温度ｔが２０℃の場合、Ｄ＜１１４５．６
［ｍｍ］という条件になる。上式から、波長λが短い、すなわち周波数が高いほどＤを小さくする必要があるため、実際には消音したい周波数成分のうち最も周波数の高い成分によってＤを決定すればよい。

ただし、本発明が対象とする周波数５００Ｈｚ以下の低周波騒音の全周波数について上述の条件（Ｄ＜λ／６）を満たすには、Ｄ＜１１４．３［ｍｍ］であることが必要であり、実際にはこのような条件を満たすようにスピーカーを取り付けることは不可能に近い。従って、実際には何らかの増幅領域が発生することになる場合が多いが、増幅領域以外の領域では依然として消音効果が得られる。そして、後述するように本発明においては騒音を低減すべき領域（人間が長時間存在する領域であり、作業領域と呼ぶ）が通常は騒音源の直下や直上に存在しないことに鑑み、増幅領域が存在する場合でも騒音源の直下や直上に位置するようにスピーカーの配置位置を決定している。

上述のように騒音源とスピーカーとは、ある距離Ｄをもって配置されることになるが、その結果、受音点の位置によっては、騒音源までの距離ｒ１と、スピーカーまでの距離ｒ２とが異なる。このような場合、スピーカーから適切な消音波（すなわち、騒音と同振幅、逆位相の音波）が出力されていても、受音点に到達する騒音の位相と消音波の位相がずれてしまうため、消音効果が低減する。

そのため、図１のようなモデルを考え、受音点と騒音源、スピーカーの位置関係による消音効果分布を検討した。図１において、騒音源１は、送風機、圧縮機（コンプレッサ）、ディーゼルエンジン、真空ポンプ、振動ふるい、ボイラー、機械プレス、ブロア（空缶を空気によって搬送する装置）などの装置のうち、例えば音響インテンシティー法によって測定された騒音発生部位（騒音源）である。基本的に騒音源はモータ、ファン、コンプレッサ、エンジン、篩といった、回転運動や振動運動を行う部位であることが多い。図１では、ボイラーの送風機（ボイラー側面上部に突出している）の騒音を予め録音し、１．５ｍの高さに設置したスピーカーから再生して騒音源１とした。なお、録音したボイラーの雑音は、７５．１２５Ｈｚ付近に突出したピークを有する、周期性の強い騒音であった。

制御音源（スピーカー）２は、騒音源１の略鉛直下方に処理距離Ｄを持って配置されている。距離Ｄは上述のように短いことが好ましいが、ボイラーに実際にスピーカーを取り付ける際の作業スペースや熱の問題を考慮し、現実的に取りうる値としてＤ＝６０ｃｍとした。この条件では、周波数約９５Ｈｚ以下の騒音については騒音源１とスピーカー２とが同一点にあるものと見なすことができる。

センサマイク８は騒音源１が発する騒音を観測するためのものであり、騒音源１の近傍に設置した。
制御部９はセンサマイク８が取得した騒音から、適切な消音波を生成する装置であり、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ変換、周波数解析、適応フィルタ、アンプなどから構成される。このような制御部９は例えばfiltered-x LMSアルゴリズムを用いた適応フィルタ制御を用いたＡＮＣシステムとして周知であるため、その詳細については説明を省略する。

そして、受音点３としてのマイクを移動させて音量（音圧）を測定し、騒音源１が再生する騒音との音圧レベルの差を求めた。結果を図２に示す。

図２は、騒音源１の位置を原点として、ある鉛直方向の面内における消音効果の分布（音圧レベルの差）を表したものである。図から、受音点から騒音源までの距離ｒ１と、受音点からスピーカーまでの距離ｒ２が等しく（ｒ１＝ｒ２）となる直線（−０．３ｍの水平線）上を中心として、ほぼ上下対称に同じ消音レベル範囲が分布していることが分かる。このような分布が生じるのは、ｒ１＝ｒ２となる直線上では騒音と消音波との距離による位相差が存在せず、最も消音効果が得られるのに対し、ｒ１＝ｒ２である直線から離れるに従って、かつ騒音源１とスピーカー２を結ぶ鉛直方向の直線７から離れるに従ってｒ１とｒ２の差、すなわち騒音と消音波との位相差が大きくなり、消音効果が低下することから容易に理解される。図３に、図２をより具体的な数値で表した図を示す。

また、図２及び図３から明らかなように、スピーカー２とその直下の床面との間の空間では、単純にスピーカー２から出力される消音波が聞こえる状態となるため、騒音がより大きくなる増幅領域が発生する。

ある受音点における音圧レベル減少値（消音効果の大きさ）をΔＬｐとすると、
ΔＬｐ＝10 Log{ (r1/r2)²+2(r1/r2) Cos(2πΔrf/c-θ')+1 }
と表すことができる。ここで、Δｒは｜ｒ１ーｒ２｜、ｆは消音対象周波数［Ｈｚ］、ｃは音速［ｍ／ｓ］、θ’は初期位相差（騒音と消音波との位相差であり、理想的には０）である。

●＜具体的構成＞
以上の検討結果をふまえ、実際の装置への適用を検討する。
まず、スピーカー２の配置について考える。上述したように、騒音源１と消音波を出力するスピーカー２との距離Ｄが、Ｄ＜λ／６を満たすように配置できることが好ましいが、実際にはこのような配置を行うことは困難であることが多いと考えられる。

そこで、本発明においては騒音を低減すべき領域（人間が長時間存在する領域であり、作業領域と呼ぶ）が通常は騒音源の直下や直上に存在せず、騒音源から所定距離離れた空間であることに鑑み、増幅領域が存在するような距離Ｄをもってスピーカー２を配置せざるを得ない場合でも、増幅領域が騒音源の直下や直上に位置するようにスピーカーの配置位置を決定する。

具体的には、スピーカー２を騒音源１の略鉛直上方又は略鉛直下方に配置する。上述のように増幅領域はスピーカー２と騒音源１とを結ぶ直線上で、かつスピーカー２から騒音源１に向かって後ろ側に出現するため、スピーカー２をこのように配置することにより、増幅領域が騒音源の直下又は直上に位置するようになり、騒音源から所定距離離れた空間に存在する作業領域に増幅領域が及ぼす影響を実質的に無視できる。

また、スピーカー２を騒音源１の上方、下方のいずれに配置するか、またスピーカー２と騒音源１との距離Ｄは、消音効果を得たい範囲を考慮して決定する。本実施形態においては作業者が存在する工場内での実施を想定しているため、作業者が体感する騒音を低減するために、作業者の頭部が存在すると考えられる範囲で十分な消音効果が得られるように設定する。

すなわち、作業者が主に座位で作業を行う環境であれば例えば１±０．５ｍの高さ、立位で作業を行う環境であれば例えば１．５±０．５ｍの高さで十分な（例えば体感騒音が１／２となる−６ｄＢ以上）効果が、作業領域（騒音源から所定距離離れた位置）内で得られるよう、騒音源１とスピーカー２との距離Ｄを決定する。高さの範囲は他の範囲で競って可能であることは言うまでもない。
なお、本発明が対象とする騒音は低周波であるため指向性については特段考慮する必要が無く、スピーカー２の向きは任意である。

図４に、本発明の一実施形態としてのボイラの外観例を示す。
ボイラーＢは通常送風機１を有しており、ボイラーの主な低周波騒音源はこの送風機１である。従って、騒音源としての送風機１の略鉛直下方にスピーカー２（及び制御部９）を設置している。また、センサマイク８を送風機１の近傍に設けている。この結果、作業者Ｈの頭部付近において十分な騒音低減効果が得られる。増幅領域１０はボイラー近傍かつ床面に向かって存在するのみであり、作業者Ｈに与える影響は無視できる。

また、上述したようなボイラー以外の装置においても、同様の考え方を適用してスピーカー２を配置すればよい。この際、騒音源の位置を特定するには、上述したように３次元音響インテンシティを測定し、騒音がどの部位から主に発生しているのかを調べればよい。３次元音響インテンシティの測定は公知の方法で行えばよいが、例えば（株）小野測器の３次元音響インテンシティプローブMI-6420を用いて測定することが可能である。そして、測定によって特定された部位を騒音源としてスピーカーを配置すればよい。もちろん、３次元音響インテンシティを測定しなくても騒音源が特定可能である場合には、３次元音響インテンシティ測定による騒音源特定は不要である。

増幅領域が発生する領域を作業者の頭部が存在する領域から離すため、スピーカーは騒音源の鉛直上方又は下方に配置することが好ましいが、騒音源の位置によってそのような配置ができなければ鉛直方向からずれた位置に配置しても構わない。
また、騒音源が装置内部に存在する場合、スピーカーもまた装置内部に配置するようにしても良い。
このように、本実施形態によれば、単一の消音源（スピーカー）により、３次元低周波騒音を広範囲で抑制することが可能になる。

騒音源及びスピーカーからの距離による消音効果分布の測定時の環境を説明する図である。 図１の環境で測定した消音効果分布を示す図である。 図２を具体的な測定値によって示した図である。 本発明の実施形態としてのボイラーの外観例を示す図である。

Claims (4)

1. ３次元低周波騒音を発する騒音源と、
   前記３次元低周波騒音を観測し、当該３次元低周波騒音の消音波を生成する消音波生成手段と、
   前記消音波を出力するスピーカーとを有し、
   前記スピーカーが、前記騒音源の略鉛直上方又は下方に配置されていることを特徴とする装置。
2. 前記スピーカーと前記騒音源との距離が、前記３次元低周波騒音の周波数成分のうち、低減すべき最も高い周波数成分の周波数に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記騒音源から所定距離離れた位置の、高さ１．０±０．５ｍもしくは高さ１．５±０．５ｍの範囲における騒音低減量に基づいて前記スピーカーと前記低周波騒音源との距離が決定されることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記騒音源が回転又は振動運動を行う部品であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の装置。

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