JP2005316452A - 能動消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の音場環境に依存せずに、かつ、制御マイクを用いることなく騒音源の経時変化にも適応し、騒音源周囲全体を消音すること。
【解決手段】制御音を発生する制御用スピーカ１４と、低減対象音を検出する参照信号検出部１１と、参照信号検出部１１で検出した参照信号に基づいて参照信号検出部１１で検出した信号を最小とする振幅・位相で前記制御音源から制御音を発生させる制御電流を出力する制御回路とを備え、制御回路は、参照信号の位相を調整する位相調整部１３と、参照信号の振幅を調整する振幅調整部１２と、制御用スピーカ１４の駆動電流・電圧を検出する電流・電圧検出部１６とを具備し、電流・電圧検出部１６において検出された駆動電流・電圧に基づいて位相調整部１３又は振幅調整部１２を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は騒音源を発生元から低減し空間全体を消音する能動消音装置に関し、特に騒音源が複数隣接する場合にも好適なものに関する。

マイクを使用せずに実現する方法には固定フィルタを用いる方式が知られている。しかしながら、これらは音源の周波数や空間伝達系が変化しないという仮定のもと、制御フィルタを固定係数としている。つまり、時時刻刻変化する制御対象に追従する適応制御でなく、経時変化を伴う騒音には不向きである。

そこで、これを解決するにあたり、従来は騒音源に近接させた制御マイクを用いて、経時変化による音圧変動を検知し、制御フィルタにその誤差分をフィードバックすることで、適応制御を行い、経時変化を伴う騒音に対処した。騒音源に制御用スピーカを近接配置し、周囲全体を消音する方式に関しては、音響パワー最小化により周囲全体を低減する方式もあるが、これについても制御マイクを用いて、経時変化対策を行なっている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−１４９１７２号公報

上述した制御マイクを用いた能動消音装置であると次のような問題があった。すなわち、騒音源に制御用スピーカを近接配置し、制御マイクを用いて音響パワー最小化により周囲全体を低減する方式の場合、制御マイクの位置が重要となる。最適な位置にマイクを配置することで、制御マイクでの音圧だけでなく、周囲全体が低減する仕組みである。しかし、複数の騒音源がある場合、１つの騒音源だけを対象としたときのマイク最適配置は、必ずしも複数の騒音源に効果的なマイク位置とは限らない。しかも、このマイクには複数の騒音源からの音も重畳することから、本来低減できるはずの騒音源１個についても低減困難になる。つまり、音圧を評価関数にすることは、周囲の音場環境に大きく影響されるという問題があった。

そこで本発明は、周囲の音場環境に依存せずに、かつ、制御マイクを騒音源に近接させることなく騒音源の経時変化にも適応し、騒音源周囲全体を消音することが可能な能動消音装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の能動消音装置は次のように構成されている。

（１）音源から発せられた低減対象音を低減する能動消音装置において、制御音を発生する制御音源と、前記低減対象音に基づき生成した参照信号を供給する参照信号供給手段と、前記参照信号に対して位相調整および振幅調整をし、前記制御音源を駆動する制御出力を出力する制御部と、前記制御出力を検出する制御出力検出部とを備え、前記制御部は、前記制御出力検出部の前記制御出力の検出結果に基づいて前記位相調整および前記振幅調整を行うことを特徴とする。

（２）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記参照信号供給手段は、前記低減対象音を検出して前記参照信号を出力する参照信号検出部であることを特徴とする。

（３）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記参照信号供給手段は、前記音源の駆動信号を検出して前記参照信号に変換する駆動信号変換部であることを特徴とする。

（４）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記音源及び前記制御音源はダイポール音源であり、前記参照信号供給手段は、前記制御音源の近傍であって前記制御音を打ち消す位置に配置され、前記制御音を検出せずに前記参照信号を出力する参照信号検出部であることを特徴とする。

（５）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記参照信号供給手段は、前記制御音源の逆起電力を検知判定し、前記制御音源に駆動電圧をかけない状態で前記制御出力検出部からの逆起電力を参照信号として出力する逆起電力検知判定部と、この参照信号を記憶する参照信号記憶部と備えることを特徴とする。

（６）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記制御部は、前記制御出力の電流が最大となるように前記参照信号に対して位相調整をすることを特徴とする。

（７）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記制御出力検出部の前記制御出力の検出結果に基づいて電気入力パワーを算出する電気入力パワー演算部を有し、前記制御部は、前記電気入力パワーが最大となるように前記位相調整を行うことを特徴とする。

（８）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記制御出力検出部が検出した前記制御出力の電流と電圧の位相差を算出する位相差演算部を備え、前記制御部は、前記位相差に基づいて前記制御出力の位相を調整することを特徴とする。

（９）前記（８）に記載された能動消音装置であって、前記制御部では、前記制御出力を零としたときにおける前記制御音源の電流と電圧の位相差と一致するように前記位相調整を行うことを特徴とする。

（１０）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記制御音源の逆起電力を検知判定する逆起電力検知判定部を備え、前記逆起電力検知判定部は、前記制御音源に前記制御出力を出力しない状態で前記制御出力検出部からの逆起電力を検知し、前記制御音源が前記音源から受ける音響放射の有無を判定することを特徴とする。

（１１）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記制御音源は前記音源から前記低減対象音の波長の１／４以内に設けられていることを特徴とする。

（１２）前記（１）に記載された能動消音装置であって、前記振幅調整部は、前記参照信号が示す音圧に基づいて前記制御音の音圧レベルを調整するものであることを特徴とする。

（１３）前記（１）に記載された能動消音装置であって、開口部に制御音源が設けられた筐体と、この筐体内に設けられ、前記制御音の音圧を検出するための音圧検出部とを備え、前記振幅調整部は、前記音圧検出部からの音圧信号に基づいて前記制御音の音圧レベルを調整することを特徴とする。

（１４）前記（４）に記載された能動消音装置であって、前記制御音源は、第１の制御音を発する第１の制御音源部と、前記第１の制御音と逆位相となる第２の制御音を発する第２の制御音源部とを具備していることを特徴とする。

（１５）前記（１４）に記載された能動消音装置であって、前記参照信号検出部の主方向は、前記第１の制御音源部と前記第２の制御音源部とを通る直線に対して垂直に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、周囲の音場環境に依存せずに、かつ、制御マイクを用いることなく騒音源の経時変化にも適応し、騒音源周囲全体を消音することが可能となる。

図１は本発明の第１の発明の実施の形態に係る能動消音装置１０の構成を示す説明図である。なお、図１中Ｎは騒音源（音源）を示している。

能動消音装置１０は、マイクロフォン等から構成され騒音源Ｎと相関のある信号を検出する参照信号検出部１１と、この参照信号検出部１１で検出された参照信号の振幅を調整する振幅調整部１２と、この振幅調整部１２の出力信号の位相を調整して後述する制御用スピーカ１４を駆動する制御信号を出力する位相調整部１３と、制御音を騒音源Ｎに向けて発生する制御用スピーカ（制御音源）１４と、位相調整部１３から制御用スピーカ１４への信号入力経路を流れる電流の電流・電圧をプローブ１５を介して検出する電流・電圧検出部１６とを備えている。

位相調整部１３は、電流・電圧検出部１６の出力信号に基づいて入力信号の位相を調整し、制御用スピーカ１４から騒音源Ｎの逆位相の制御音を出力する。位相調整部１３では、電流・電圧検出部１６において検出される電流Ｉが最大となるように位相を調整している。すなわち、入力信号の振幅を固定したまま、位相を０度から３６０度の範囲で調整していき、電流Ｉが最大となった点で位相を決める。このときの制御用スピーカ１４からの制御音の位相は騒音源Ｎに対して逆位相となる。後述のように振幅は騒音源Ｎに対して同一振幅でなくても、電流Ｉが最大となるときの制御用スピーカ１４の位相は逆位相となる。図２及び図３は能動消音装置１０における制御音源の振幅、位相の違いによる音響パワー低下量の関係を示すグラフである。

次に、本能動消音装置１０が電流・電圧検出部１６の出力信号にのみ基づいて逆位相の制御音を生成し空間消音を実現できる原理について説明する。自由空間にｍ個の点音源が存在しているとき、ｎ個の制御音源（制御用スピーカ）により式（１）で示す全音響パワーを最小で示すにするための制御手法について検討する。

式（１）の第１項は制御音源だけ単独で鳴らしたときの音響パワー、第４項は騒音源だけ単独で鳴らしたときの音響パワー、第２項及び第３項は騒音源と制御音源間の干渉により生ずる音響パワーに相当する。

ここで、ｒ_SiSjはｉ番目とｊ番目の制御音源間の距離、ｒ_PjSiはｊ番目の騒音源とｉ番目の制御音源間の距離、ｒ_PiPjはｉ番目とｊ番目の騒音源間の距離を、ｊは純虚数、ωは角周波数、ρは空気密度、ｋは波数を表す。

ここで、振動面積Ｓのスピーカの場合については振幅ｑ、すなわち、体積速度は振動速度Ｖに振動面積Ｓを乗じたものであり、騒音源と制御音源の振動面積は等しいときは式（８）（９）となる。つまり、音響パワーを最小にする制御音源の振動速度は音源と制御音源間の距離ｄと波数ｋの関数となり、騒音源の振幅より小さな値となる。また、制御音源の騒音源に対する位相θは逆位相となる。

したがって、騒音源に対して０．３ｍ離れた位置にある制御音源の振幅を騒音源に対し０〜２倍まで変化させ、また、位相を０度から３６０度まで変化させたときの１００Ｈｚにおける全音響パワー低下量は図２となり、式（８），（９）を満たす振幅０．９５、位相１８０度のところで音響パワーの低下量は最大となり、振幅が固定の状態で位相だけが数度ずれただけでも低下量は３ｄＢ以上劣化するのが等圧線の傾斜からわかる。逆に位相が１８０度であれば振幅は最適振幅値から多少ずれても大幅な劣化は少ないこともわかる。

したがって、まずは逆位相を導出することが必要となる。逆位相さえ同定できれば、固定にしたたま、振幅を微調整すれば最適な振幅の探索が可能となる。

次に、電流・電圧信号だけでマイクの代わりに音圧変化を調整評価できる原理を説明する。従来の音響パワー最小化メカニズムは各音源の振動速度と音圧に関するものである。しかしながら、実際には騒音発生源には振動系が介在し、その振動系を駆動するための起電力が存在する。そこで、スピーカの駆動メカニズムに着目し、音響系に電気系、機械振動系を含めた形で考える。

いま、図４及び図５に示すように、コーン型振動板を有する動電スピーカのメカニズムについて考える。コイルに電圧Ｅを与え、電流Ｉが流れ、振動板には力Ｆが作用し速度Ｖで動くとすると次式が成り立つ。

Ｅ＝Ｚ_Ｅ・Ｉ＋Ａ_Ｓ・Ｖ …（１０）
Ｆ＝−Ａ_Ｓ・Ｉ＋Ｚ_Ｍ・Ｖ …（１１）
ここで、Ｚ_Ｅは振動板を固定したときの電気入力インピーダンス、Ｚ_Ｍはスピーカをバネ、マス系と見たときの機械インピーダンス、Ａ_ｓは力係数（＝Ｂｌ、磁束密度×有効コイル長）を表す。さらに、電源は電圧Ｅ_０、外力は外部音場による加振力Ｆ_０で供給されるものとすると、次式となる。

Ｅ＝Ｅ_０−Ｚ_0E・I …（１２）
Ｆ＝Ｆ_０−Ｚ_0M・Ｖ …（１３）
ここで、Ｚ_０Ｅは電気内部インピーダンス、Ｚ_０Ｍは機械系から音場を見た機械インピーダンス（音響自己放射インピーダンス）を表す。したがって、式（１２），（１３）を用いて式（１４），（１５）を書き直すと次式となる。

Ｅ_０＝（Ｚ_0E＋Ｚ_Ｅ）・Ｉ＋Ａ_Ｓ・Ｖ …（１４）
Ｆ_０＝−Ａ_Ｓ・Ｉ＋（Ｚ_0M＋Ｚ_Ｍ）・Ｖ …（１５）
通常、スピーカは外部音場から力は受けないため、式（１６）の左辺Ｆ_０は零となる。これがスピーカの駆動メカニズムであるが、本能動消音装置１０では制御用スピーカは音響パワー最小化のために騒音源Ｎに近接配置することが条件となる。したがって、制御用スピーカ１４は騒音源Ｎからの音響放射による外力を受け、式で表すと以下となる。

Ｆ_０＝Ｚ_Ｎ・Ｖ_Ｎ …（１６）
ここで、Ｚ_Ｎは音響相互放射インピーダンス、Ｖ_Ｎは騒音源の振動速度となる。そこで、騒音源と制御音源の近接配置によってのみ発生する外力Ｆ_０に着目し、外力の変化が電気・機械・音響系にもたらす効果を考える。簡単のため、騒音源と制御音源は同じスピーカを用いて図４に示すように互いに近接対向配置し、同時に音を鳴らした状態で検討する。

音源側のコイルに電圧Ｅ_Ｐを与え、電流Ｉ_Ｐが流れ、振動板は速度Ｖ_ｐで動くとすると次式が成り立つ。

Ｅ_Ｐ＝（Ｚ_0E、P＋Ｚ_E、P）・Ｉ_Ｐ＋Ａ_Ｐ・Ｖ_Ｐ …（１７）
Ｆ_Ｐ＝−Ａ_Ｐ・Ｉ_Ｐ＋（Ｚ_0M、P＋Ｚ_M、P）Ｖ_Ｐ …（１８）
同時に制御音源側のコイルにも電圧Ｅ_Ｓを与え、電流Ｉ_Ｓが流れ、振動板は速度Ｖ_Ｓで動くとすると次式が成り立つ。

Ｅ_Ｓ＝（Ｚ_0E、S＋Ｚ_E、S）・Ｉ_Ｓ＋Ａ_Ｓ・Ｖ_Ｓ …（１９）
Ｆ_Ｓ＝−Ａ_Ｓ・Ｉ_Ｓ＋（Ｚ_0M、S＋Ｚ_M、S）Ｖ_Ｓ …（２０）
ここで、Ｚ_０Ｅ、Ｐ、Ｚ_０Ｅ、Ｓは騒音源、制御音源の電気内部インピーダンス、Ｚ_Ｅ、Ｐ、Ｚ_Ｅ、Ｓは騒音源、制御音源の電気インピーダンスを表し、また、Ａｐ、Ａｓは力係数（＝Ｂｌ、磁速密度×有功コイル長）を表す。本仮定ではスピーカは同じものを使用していることから、Ａｐ＝Ａｓ、Ｚ_０Ｅ、Ｐ＝Ｚ_０Ｅ、Ｓとなる。また、Ｚ_０Ｍ、Ｐ、Ｚ_０Ｍ、Ｓは音響自己放射インピーダンス、すなわち、振動系から音場を見た機械インピーダンス、Ｚ_Ｍ、Ｐ、Ｚ_Ｍ、Ｓはスピーカをバネ、マス系と見たときの機械インピーダンスを表す。

いま、外力Ｆｐ、Ｆｓは次式の関係が成り立つ。

Ｆ_Ｐ＝Ｚ_ＳＰ・Ｖ_Ｓ …（２１）
Ｆ_Ｓ＝Ｚ_ＰＳ・Ｖ_Ｐ …（２２）
ここで、相反定理よりＺｓｐ＝Ｚｐｓとなる。

そこで、式（１９）、（２０）より、制御音源の振動速度Ｖｓを消去して式（１７）、（１８）により電流を求めると式（２３）となる。

したがって、制御音源に流れる電流値は制御音源の騒音源に対する位相の関数となり、逆位相のときに最大となる。音響パワー最小時の制御音源も逆位相となることから、電流を評価関数として、これが最大となるときの位相は同時に音響パワー最小を導く。また、注目すべきは式（２３）は騒音源、制御音源の振幅に依存しないで極値をもつことから、騒音源の振幅が未知であっても、制御音源の逆位相は音響パワー最小化の必要十分条件となる。

図６は能動消音装置１０の評価試験を行うためのシステム構成を示すブロック図である。単純化するため、同じ特性を有する騒音源用スピーカ１００及び制御音源用スピーカ１０１を距離０．３ｍ離して対向配置させる。信号発生器１０２からの信号をパワーアンプ１０３を介して騒音源用スピーカ１００に入力する。また、信号発生器１０２からの信号を振幅調整機１０４、位相調整機１０５及びパワーアンプ１０６を介して制御音源用スピーカ１０１に入力する。パワーアンプ１０６後段のスピーカ端子入力部に電流プローブ１０７を設置し電流実効値を検出、同時にスピーカ入力ケーブル１０６ａから電圧実効値Ｉｓも検出する。

騒音源としては１００Ｈｚ、片振幅０．１Ｖ、初期位相０度の信号を用いる。これに対して、制御音源は振幅を片振幅０．１Ｖに固定した状態で、位相のみを０度から３６０度まで１０度きざみで調整し出力する。なお、音響パワー最小化を導く最適位相に相当する１８０度近辺では、現象を詳細に調べるため、１７０度から１９０度にかけて位相を２度きざみで微調整する。

また、騒音制御効果は、騒音源用スピーカ１００及び制御音源用スピーカ１０１の中点、すなわち音圧の節位置にあたる地点（コーン振動中心から手前に３０ｃｍ）に設置した騒音計１１０及び、周囲３ｍ位置に設置した３点の騒音計１１１の平均値（Ｆスケール）で評価する。電流変化は、電流プローブ１０７の出力信号をＦＦＴアナライザに入力し、パワースペクトルで評価する。また、電気入力パワーは電圧と電流出力信号をＦＦＴアナライザに入力し、クロススペクトルの振幅で評価する。一方、インピーダンス変化は電流を基準とした前記クロススペクトルの位相で評価する。

図７及び図８は図６に示す装置により性能評価した結果を示すグラフである。横軸は位相（騒音源に対する制御音源の位相）、縦軸は騒音源用スピーカ１００及び制御音源用スピーカ１０１の中点、及び、周囲の騒音計１１０及び１１１で計測した音圧レベルである。

位相が逆位相のときに中点及び周囲においても十分音圧レベルが低下し、逆位相が音響パワーの低減に寄与していることがわかる。このときの電流変化は図８のようになり、逆位相のときに最大となっている。

上述したように第１の実施の形態に係る能動消音装置１０によれば、制御用スピーカ１４への制御出力を検出して、その出力が最大になるように位相を調整することで騒音源Ｎの逆位相を制御音を発生させることができる。このため、制御マイクを用いることなく、周囲の音場環境に依存せずに、かつ、音源の経時変化にも適応しながら、騒音源周囲全体を消音することが可能である。

なお、制御用スピーカ１４を騒音源Ｎからλ／４以内に設置することで、騒音源周囲全体を低減することが可能となる。上述した式（１）を使って制御前後の倍率αを計算、α＜１であれば制御後に音響パワーが低下する。この条件を満たす配置がλ／４である。

図９は本発明の第２の実施の形態に係る能動消音装置２０の構成を示すブロック図である。図９において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

能動消音装置２０は、電流・電圧検出部１６の後段に電気入力パワー演算部２１が設けられている。電気入力パワー演算部２１では、電流・電圧検出部１６の出力に基づき算出した電気入力パワーが最大となるように位相調整部１３を調整することで、制御用スピーカ１４から逆位相を生成する。

能動消音装置２０における制御原理について説明する。上述した式（１７）〜（２０）よりＡｐ、Ａｓを消去しＥｐ、ＥｓにＩｐ、Ｉｓをかけて電気入力パワーを求めると、騒音源Ｎ側のパワー及び制御音源側のパワーは次式となる。

式（２４），（２５）の第１項は電気のパワー、第２項は機械振動系のパワー、第３項は音響自己放射パワー、第４項は音響相互放射パワーを示している。したがって、騒音源、制御音源それぞれの第３項、第４項だけを抜き出し、総和した音響パワーは式（１）に相当し、これまで扱ってきた音響系のみの全音響パワーとなる。したがって、音響パワー最小時は制御音源側の第３項、第４項のみが零となり、制御音源側全体の電気入力パワーは次式となる。

式（２５）と式（２６）を比較すると、一見、式（２６）の方が音響パワー項が無い分、全電気入力パワーも小さいように感じられるが、実際は音響パワーが零となることで、音響抵抗が無くなる分、電流が流れやすくなる。電気パワーは音響放射パワーより大きいことから、結果的に電気パワーは逆に増大する。したがって、電流同様に、この全電気入力パワーを評価しても、音響パワー最小を導く位相の極値を見つけることが可能となる。

能動消音装置２０についても、図６に示す評価システムにより性能評価を行った。電気入力パワーも図１０に示すように逆位相のときが最大となる。ここで、実際は騒音源の振幅は厳密には計測できない。そこで、制御音源が騒音源Ｎに対して小さい場合、あるいは大きい場合でも、逆位相が同定できなければいけない。そこで、制御振幅の振幅を騒音源Ｎの振幅の半分、つまり、０．５にし、スピーカを対向配置でなく振動面が同じ方向を向く隣接配置（コーン振動中心間距離ｄ＝０．４ｍ）で調査した結果、電気入力パワーは図１１に示すものとなる。最大値は図１０と比べると幅を持つものの、逆位相で最大となる傾向を示す。制御振幅を騒音源Ｎの振幅に対して０．１〜２倍まで０．１倍毎に変えて、同様の試験を行ったところ、逆位相で最大となる同様の傾向を得た。

上述したように、能動消音装置２０についても能動消音装置１０と同様の効果を得ることができる。

図１２は本発明の第３の実施の形態に係る能動消音装置３０の構成を示すブロック図である。図１２において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

電流・電圧検出部１６の後段に電流と電圧の位相差演算部３１を備え、制御出力に基づいて算出した電流・電圧間の位相差に基づき、位相調整部１３で位相を調整し、制御用スピーカ１４から逆位相を生成する。位相調整部１３では、スピーカ駆動電圧をかけない状態で位相差演算部３１で算出した電流・電圧間の位相差（スピーカ固有の初期位相）と一致するように位相を調整する。

騒音源Ｎに制御用スピーカ１４を近接設置する前に、制御用スピーカ１４だけ単独で鳴らし、電流・電圧検出部１６の出力に基づき両者の位相差を求める。電気、機械、音響自己放射抵抗が一定のため、制御用スピーカ１４を駆動するための入力電圧、すなわち制御用スピーカ１４から出す制御音の振幅、また、位相を変化させても、電流・電圧検出部１６の位相差は一定として算出される。そこで、この値を初期値として記憶する。その後、制御用スピーカ１４を騒音源Ｎに近接配置し、算出した両者の位相差が初期値と一致するように位相調整部１３で位相を調整することで、制御マイクを使用せずに、逆位相を生成することが可能となる。

図１３は、電流と電圧のクロススペクトルの位相を示す説明図である。逆位相前後で位相が大きく変化しているが、これは音響抵抗の影響である。位相０度（騒音源Ｎと同位相）では３７度であり、逆位相に近づくにつれて変化しだし、逆位相で一度３７度に戻り、再び、変化しだす傾向を示す。逆位相時の位相差３７度は制御用スピーカ１４が単独で鳴っているときの電流と電圧の位相差に相当する。

図１４は制御音源のみを位相一定で振幅のみを変化させた場合の実験結果、図１５は振幅一定で位相のみを変化させた場合の実験結果を示している。位相を一定にした場合には、図１６及び図１７に示すように振幅増加に伴い電流、電圧も増加するにもかかわらず、電流・電圧の位相差は３７度一定で、スピーカ固有の機械電気系の初期位相であることがわかる。

逆位相前後で起こるこうした一連の現象を制御音源周囲の音の流れ（音響インテンシティ）で確認すると、図１８〜図２０に示すようになる。すなわち、図１８に示すように、式（７）に示した最適振幅よりも小さい場合は音の吸収、図１９に示すように、最適振幅より大きい場合は音の放射となる。これに対して逆位相では図２０及び図２０を拡大して示す図２１に示すように音の通り抜け現象が発生し、音響放射パワーが零、そして音響抵抗が零となる。

上述したように第３の実施の形態に係る能動消音装置３０によれば、前述した能動消音装置１０と同様の効果を得ることができる。

図２２は本発明の第４の実施の形態に係る能動消音装置４０の構成を示すブロック図である。なお、図２２において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

能動消音装置４０は、前述した能動消音装置３０の電流・電圧検出部１６の後段に逆起電力検知判定部４１を備え、スピーカ駆動電圧をかけない状態で逆起電力を検知し、制御用スピーカ１４が騒音源Ｎから受けている外力（音響放射）をの有無を判別する機能を有している。

ここで、能動消音装置４０の制御原理について説明する。電流・電圧信号に着目した逆位相生成の制御原理が適用できるか否かは制御用スピーカ１４が受ける騒音源Ｎからの音響放射による外力で決まる。しかしながら、この外力は騒音源Ｎ自身の放射特性と制御用スピーカ１４固有の特性（コイル、ばねの特性等）で異なる。また、同じ型式の制御用スピーカ１４であっても騒音源Ｎに対する配置の仕方でも異なる。したがって、騒音源Ｎからの音響放射による外力は複数の要因が重なり、外力を受けやすい構造に制御用スピーカ１４を最適設計することは難しい。

そこで、制御を行う前に、制御用スピーカ１４に対しスピーカ駆動電圧をかけない状態で、すなわち、電圧Ｅ０零の状態で騒音源Ｎに近接配置した制御用スピーカ１４の逆起電力、すなわち、外部音場から力の有無を判断し、能動消音装置４０の適用可否を判定する。この判定を行えば、対象騒音に対して本装置が導入可能であるか早期に判断可能となる。

このように能動消音装置４０によれば、前述した能動消音装置３０と同様の効果が得られるとともに、消音機能を発揮できるか否かを運用前に判断することが可能となる。

図２３は本発明の第５の実施の形態に係る能動消音装置５０の構成を示すブロック図である。図２３において図２２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本能動消音装置５０は、逆起電力検知判定部４１の後段に参照信号を記憶する参照信号メモリ５１が設けられている。すなわち、上述した能動消音装置４０と同様にして逆起電力を測定する。このとき、騒音源Ｎの騒音が周期音の場合は、同じ騒音が繰り返し到来することになる。この場合、制御用スピーカ１４からの制御音を生成するために必要な参照信号は、必ずしも同時刻の音でなくても適応できる。したがって、過去に収集した参照信号を参照信号メモリ５１に記憶させ、この参照信号メモリ５１に記憶された参照信号を読み出して、参照信号として振幅制御部１２に入力することで、制御音を発生させることが可能となる。

図２４は本発明の第６の実施の形態に係る能動消音装置６０の構成を示すブロック図である。図２４において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態に係る能動消音装置６０においては、振幅調整部１２に、参照信号と音圧との相関関係を記憶したテーブル１２ａが設けられている。すなわち、騒音源Ｎと参照信号検出部１１との距離は一定であることから、参照信号で検出された音圧と騒音源Ｎの音圧との間には一定の関係が成り立っている。したがって、得られた参照信号の出力値とテーブル１２ａとに基づいて騒音源Ｎの音圧が算出される。

振幅調整部１２では、算出された騒音源Ｎの音圧と略等しい音圧で制御用スピーカ１４が制御音を発するよう制御出力の電圧，電流を調整する。これにより、能動消音装置１０と同様の効果が得られるとともに、騒音源Ｎとほぼ同等の音圧振幅で制御用スピーカ１４を駆動することにより、さらに十分な制御効果が期待できる。

図２５は本発明の第７の実施の形態に係る能動消音装置７０の構成を示すブロック図、図２６は能動消音装置７０に組み込まれた制御用スピーカ７１を模式的に示す縦断面図である。図２５において図２４と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２５中７１は制御用スピーカを示している。制御用スピーカ７１は、開口部７２ａを有するスピーカボックス（制御音源収容筐体）７２を備え、このスピーカボックス７２の開口部７２ａには、スピーカ振動部７３が設けられている。また、スピーカボックス７２内部には、マイクロフォン等から構成され騒音源Ｎと相関のある信号を検出する音圧検出部７４が設けられている。なお、図中７３ａはスピーカ振動部７３の振動放射面（外側）、７３ｂはスピーカ振動部７３の振動内部面（内側）を示している。

このように構成された能動消音装置７０においては、参照信号検出部１１とは独立して音圧検出部７４が設けられている。音圧検出部７４は、振動放射面７３ａの音圧と、振動内部面７３ｂの音圧は位相は逆位相関係にあるものの、振幅レベルはほぼ同じである。したがって、音圧検出部７４にて検出された振動内部面７３ｂからの音圧から制御用スピーカ７１の振幅が推定できる。

一方、テーブル１２ａには、音圧検出部７４からの音圧信号と制御音との音圧との相関関係が記憶されている。したがって、得られた音圧検出部７４の出力値とテーブル１２ａとに基づき、制御用スピーカ７１の音圧振幅が音圧検出部７４で得られた音圧振幅と一致するように調整すれば、前述した能動消音装置６０と同様の効果が得られるとともに、参照信号検出部１１と独立して音圧検出部７４を設けた場合でも、外部に新たに振幅調整用の手段を設置せずに、十分な制御効果が達成できる。

図２７は本発明の第８の実施の形態に係る能動消音装置８０の要部を示す説明図である。図２７において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

能動消音装置８０においては、騒音源Ｎは機械ＭＣが駆動されるときに発生するものであることから、当該機械ＭＣを駆動する駆動信号を用いている。すなわち、騒音源Ｎは駆動信号と相関関係があるため、この駆動信号を参照信号として利用するものである。具体的には、上述した参照信号検出部１１の代わりに、騒音源Ｎの元となる機械ＭＣの駆動信号Ｄを駆動信号変換部８１において参照信号に変換し、振幅調整部１２に入力する。

図２８は本発明の第９の実施の形態に係る能動消音装置９０の構成を示すブロック図である。図２８において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

能動消音装置９０では、制御用スピーカ９１としてダイポール音源のものを用い、騒音源ＮＤがダイポール音源と見なせる場合に適用することができる。図２９に示すように、同振幅で逆位相の状態で鳴っている２つの音源の組合せからなる騒音源ＮＤの場合、全音響パワーを最小にするためには、制御音もダイポール音源でなければ低減できない。なぜならば、図３０に示すように、仮に制御音ＣＳがモノポール音源であると、騒音源ＮＤに対して、図３０の上半分側しか逆位相関係を保てない。このため、下半分側は逆に増加してしまい、消音機能を発揮できない。

ダイポール音源の放射音圧特性は、図３１に示すように中間に節、すなわち、音圧が最小となる直線状の領域Ｌがある。したがって、この領域Ｌ上では制御音の放射音圧は正面に比べて２０ｄＢ以上も小さくなる。

これにより、マイク等の参照信号検出部１１を制御用スピーカ９１の近傍に配置した場合であっても、制御用スピーカ９１からの制御音ＣＳが参照信号検出部１１に重畳されることはなく、ハウリング等の消音制御の妨げとなる現象の発生を防止できる。

なお、参照信号検出部１１として騒音源ＮＤに加速度センサを設置し、この出力、すなわち振動信号を参照信号として使用すればハウリングは発生しないが、全ての騒音源ＮＤが振動センサで検出できるとは限らない。例えば、ファン流体騒音などは振動信号と騒音は相関がなく、適用範囲が狭いという問題があるが、本能動消音装置９０の場合には、参照信号検出部１１としてマイクを用いることができるという利点がある。

図３２は、上述した制御用スピーカ９１の変形例に係る制御用スピーカ９２を示す説明図である。なお、二点鎖線は制御音ＣＳを示している。

制御用スピーカ９２は、第１の制御音を発する第１スピーカ（第１の制御音源部）９３と、第２の制御音を発する第２スピーカ（第２の制御音源部）９４とを備えている。第１スピーカ９３と第２スピーカ９４とは、互いに接続端子を反転させた状態で接続されている。これにより、制御系を複雑にせずに、逆位相放射、すなわち、ダイポール音源を生成することができる。

図３３は、上述した制御用スピーカ９１の変形例に係る制御用スピーカ９５を示す説明図である。なお、二点鎖線は制御音ＣＳを示している。

制御用スピーカ９５は、第１の制御音を発する第１スピーカ（第１の制御音源部）９６と、第２の制御音を発する第２スピーカ（第２の制御音源部）９７とを備えている。また、参照信号検出部１１の主方向は、第１スピーカ９６と第２スピーカ９７とを通る直線ＬＤに対して垂直に配置されている。

前述したように、制御音ＣＳの節の部分では、音圧が最小になることから、制御音ＣＳすなわち、第１スピーカ９６と第２スピーカ９７からの合成放射音圧は拾わずに、騒音源ＮＤのみに音を拾うことができる。したがって、ハウリング等の消音制御の妨げとなる現象の発生を防止できる。

なお、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る能動消音装置の構成を示すブロック図。 同能動消音装置における制御音源の振幅、位相の違いによる音響パワー低下量の関係を示すグラフ。 同能動消音装置における制御音源の振幅、位相の違いによる音響パワー低下量の関係を示すグラフ。 同能動消音装置に組み込まれた制御用スピーカの駆動メカニズムを示す説明図。 同能動消音装置に組み込まれた制御用スピーカの駆動メカニズムを示す説明図。 同能動消音装置の性能評価を行うためのシステムの構成を示すブロック図。 同能動消音装置における位相と音圧レベルとの関係を示すグラフ。 同能動消音装置における位相と電流との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態に係る能動消音装置の構成を示すブロック図。 同能動消音装置における位相と電気入力パワーとの関係を示すグラフ。 同能動消音装置における位相と電気入力パワーとの関係を示すグラフ。 本発明の第３の実施の形態に係る能動消音装置の構成を示すブロック図。 同能動消音装置における制御音源の位相と電圧・電流の位相差との関係を示すグラフ。 同能動消音装置における制御音源の振幅と電圧・電流の位相差との関係を示すグラフ。 同能動消音装置における制御音源の位相と電圧・電流の位相差との関係を示すグラフ。 同能動消音装置における制御音源の振幅と電流との関係を示すグラフ。 同能動消音装置における制御音源の振幅と電圧との関係を示すグラフ。 同能動消音装置における音響インテンシティを示す説明図。 同能動消音装置における音響インテンシティを示す説明図。 同能動消音装置における音響インテンシティを示す説明図。 同能動消音装置における音響インテンシティを示す説明図。 本発明の第４の実施の形態に係る能動消音装置の構成を示すブロック図。 本発明の第５の実施の形態に係る能動消音装置５０の構成を示すブロック図。 本発明の第６の実施の形態に係る能動消音装置６０の構成を示すブロック図。 本発明の第７の実施の形態に係る能動消音装置７０の構成を示すブロック図。 能動消音装置７０に組み込まれた制御用スピーカ７１を模式的に示す縦断面図。 本発明の第８の実施の形態に係る能動消音装置８０の要部を示す説明図。 本発明の第９の実施の形態に係る能動消音装置９０の構成を示すブロック図。 同能動消音装置における消音原理を示す説明図。 同能動消音装置における消音原理を示す説明図。 同能動消音装置における消音原理を示す説明図。 同能動消音装置に組み込まれた制御用スピーカの変形例を示す説明図。 同能動消音装置に組み込まれた制御用スピーカの変形例を示す説明図。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０…能動消音装置、１１…参照信号検出部、１２…振幅調整部、１３…位相調整部、１４…制御用スピーカ（制御音源）、１５…プローブ、１６…電流・電圧検出部、２１…電気入力パワー演算部、３１…位相差演算部、４１…逆起電力検知判定部、Ｎ，ＮＤ…騒音源。

Claims (15)

1. 音源から発せられた低減対象音を低減する能動消音装置において、
   制御音を発生する制御音源と、
   前記低減対象音に基づき生成した参照信号を供給する参照信号供給手段と、
   前記参照信号に対して位相調整および振幅調整をし、前記制御音源を駆動する制御出力を出力する制御部と、
   前記制御出力を検出する制御出力検出部と
   を備え、
   前記制御部は、前記制御出力検出部の前記制御出力の検出結果に基づいて前記位相調整および前記振幅調整を行うことを特徴とする能動消音装置。
2. 前記参照信号供給手段は、前記低減対象音を検出して前記参照信号を出力する参照信号検出部であることを特徴とする請求項１に記載の能動消音装置。
3. 前記参照信号供給手段は、前記音源の駆動信号を検出して前記参照信号に変換する駆動信号変換部であることを特徴とする請求項１に記載の能動消音装置。
4. 前記音源及び前記制御音源はダイポール音源であり、
   前記参照信号供給手段は、前記制御音源の近傍であって前記制御音を打ち消す位置に配置され、前記制御音を検出せずに前記参照信号を出力する参照信号検出部であることを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
5. 前記参照信号供給手段は、前記制御音源の逆起電力を検知判定し、前記制御音源に駆動電圧をかけない状態で前記制御出力検出部からの逆起電力を参照信号として出力する逆起電力検知判定部と、
   この参照信号を記憶する参照信号記憶部と備えることを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
6. 前記制御部は、前記制御出力の電流が最大となるように前記参照信号に対して位相調整をすることを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
7. 前記制御出力検出部の前記制御出力の検出結果に基づいて電気入力パワーを算出する電気入力パワー演算部を有し、
   前記制御部は、前記電気入力パワーが最大となるように前記位相調整を行うことを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
8. 前記制御出力検出部が検出した前記制御出力の電流と電圧の位相差を算出する位相差演算部を備え、
   前記制御部は、前記位相差に基づいて前記制御出力の位相を調整することを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
9. 前記制御部では、前記制御出力を零としたときにおける前記制御音源の電流と電圧の位相差と一致するように前記位相調整を行うことを特徴とする請求項８記載の能動消音装置。
10. 前記制御音源の逆起電力を検知判定する逆起電力検知判定部を備え、
    前記逆起電力検知判定部は、前記制御音源に前記制御出力を出力しない状態で前記制御出力検出部からの逆起電力を検知し、前記制御音源が前記音源から受ける音響放射の有無を判定することを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
11. 前記制御音源は前記音源から前記低減対象音の波長の１／４以内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
12. 前記振幅調整部は、前記参照信号が示す音圧に基づいて前記制御音の音圧レベルを調整するものであることを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
13. 開口部に制御音源が設けられた筐体と、
    この筐体内に設けられ、前記制御音の音圧を検出するための音圧検出部とを備え、
    前記振幅調整部は、前記音圧検出部からの音圧信号に基づいて前記制御音の音圧レベルを調整することを特徴とする請求項１記載の能動消音装置。
14. 前記制御音源は、第１の制御音を発する第１の制御音源部と、前記第１の制御音と逆位相となる第２の制御音を発する第２の制御音源部とを具備していることを特徴とする請求項４記載の能動消音装置。
15. 前記参照信号検出部の主方向は、前記第１の制御音源部と前記第２の制御音源部とを通る直線に対して垂直に設定されていることを特徴とする請求項１４記載の能動消音装置。

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