JP2007079386A - 騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 迅速且つ効果的に騒音を低減する騒音低減装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の騒音低減装置は、騒音源から発生する騒音を検知する騒音検知手段と、騒音信号の位相と逆位相の消音信号を発生する消音信号発生手段と、該消音信号を消音として伝える骨伝導スピーカと、を有することを特徴とする。また、本発明の騒音低減装置の消音信号発生手段は特定の騒音信号に対する特定の消音信号のデータベースと、騒音検知手段から出力される騒音信号とデータベースとを比較し同一消音信号を選択する選択手段と、選択された消音信号を発生する再生手段とで構成することができる。さらに、本発明の騒音低減装置の消音信号発生手段は騒音検知手段で検出され前記データベースに存在しない新しい騒音信号に基づき新しい消音信号のデータベースを構成する学習機能手段を持つことができる。本発明の騒音低減装置によれば、リアルタイムで人体の内耳で騒音を消音することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、骨伝導スピーカを用いた騒音を消音するための騒音低減装置に関するものである。

騒音は人々の日常生活と共に存在するものであり、身の周りの様々な音のうち、人に好ましくない影響を及ぼす音、不必要な音、邪魔な音などを言う。騒音は肉体的にも、精神的にも生体に対して悪い影響を与える。騒音源から発生する騒音の音波は、騒音源を中心に３次元空間内に広がる。音波は周波数や音圧（媒質中に音波が存在するときの媒質の圧力の変化部分）としてとられることができる。さらに、音波は騒音の発生源、伝搬の径路及び受音側の状況などの影響でその性質が変わることがある。

騒音のもたらす影響は様々であり、睡眠妨害、心理影響、活動妨害、聴力障害、物的障害及び社会影響などの問題が挙げられる。そのうち、睡眠妨害（眠れない、目が覚める…）におよぼす影響は最も一般的であり、これに対する様々な解決策や、騒音解消装置などが提案されている。

例えば、特開平０７−００８５５８号公報（以下、特許文献１と称する）は、静かな環境で睡眠ができる安眠装置を開示している。特許文献１に記載の安眠装置では、外部音圧を検出する４個の圧力検出器がベッドの近傍に配置され、騒音の音圧を検出する。検出された騒音の音圧に基づき、逆位相干渉により抑制される音波信号を演算装置で計算して消音スピーカにより消音音波を発生させ、人体頭部の両側の騒音を伝搬される空間内において音波の位相干渉により低減させる。

また、特開平０８−０６３１７４号公報（以下、特許文献２と称する）は、騒音源の情報を検知する騒音検知センサー、音波干渉を生じさせるための制御音源、制御状態を評価するための評価センサー、制御音源の所望の制御状態を得るための信号を演算する演算装置、および消音スピーカからなる騒音低減装置を開示している。
特開平０７−００８５５８号公報 特開平０８−０６３１７４号公報

特許文献１に記載された安眠装置及び特許文献２に記載された騒音低減装置では、いずれも人体頭部の付近で、位相干渉音波を発生させ、騒音の消音を行う。従って、特許文献１、２に記載の装置では、消音スピーカ、騒音検知センサーを人体頭部付近に置けるとしても、騒音源の方向により、消音範囲が限られてしまうという問題がある。また、騒音が伝搬される空間内において消音する際、より正確に騒音音波に逆位相を持つ消音音波を干渉させるためには、騒音源の位置騒音の発生する方向、及び騒音音波の空間内の伝搬径路などの情報を得るべく、複数の騒音検知センサー及び消音スピーカを設ける必要がある。その結果、ベッドという限られたスペース内に多数のセンサーや消音スピーカなどの部品を置くために、就寝に利用できるスペースが狭くなり、装置のコストも高くなる。

さらに、空間内において消音を行う際、空間内に存在する物により音波が反射される。従って、配置されている物の位置の僅かな変化により消音効果が得られない場合がある。即ち、騒音源と消音スピーカの方向、距離が所定関係を満たさない限り、騒音波形と逆位相音波形が同球状に一致することが困難であり、消音空間範囲が極限られたものとなる。通常その範囲は波長の１／１０程度と言われている。具体的には、図９に示したように、空間内において、消音信号Ｂが騒音信号Ｎに干渉して消音を行う際、この二つお互い完全逆位相の音波の峰部と谷部が合成されゼロとなり、消音領域Ｃが形成される。しかし、この二つの音波の位相が完全逆位相でない場合には、合成された波形がゼロにならず、この場所における消音効果が得られない。すなわち、消音信号と騒音信号とが完全逆位相の音波を合成し有効的に消音効果を得られる消音領域Ｃは極限られている。

さらに、特許文献１、２に記載の装置では、騒音検知センサーで騒音を検知してから演算装置によって計算し、消音音波信号を発生する構成になっている。しかし、一般的な騒音に対しても演算装置によって計算してから消音音波信号を発生すると、騒音を検知してから消音するまでの時間がかかってしまい、迅速かつリアルタイムで騒音を消音することが困難である。

本発明は、上記の点に鑑み、シンプルな構成を持ち、迅速且つ効果的に騒音を低減する騒音低減装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段、作用、効果

本発明の騒音低減装置は、騒音源から発生する騒音を検知する騒音検知手段と、騒音の位相と逆位相の消音信号を発生する消音信号発生手段と、該消音信号を消音として伝える骨伝導スピーカと、を有することを特徴とする。

本発明の騒音低減装置は、検知された騒音に従って生成した消音信号に基づき、骨伝導スピーカから消音音波を発生し、人体の頭部の骨組織を介して内耳で騒音音波と干渉作用を引起して消音効果を得る構成である。このように、感知された騒音音波に対して消音音波が生成され、骨組織を介して伝搬するので騒音を伝搬する空間要素の影響を受けずに受音側である耳の奥で音波干渉を行い、消音することができる。

また、本発明の騒音低減装置の騒音検知手段は、一個あるいは二個の騒音検知センサーで構成することができる。本発明の騒音低減装置の騒音検知手段は骨伝導スピーカを用いて内耳で騒音音波と消音音波との干渉作用をしているため、通常一定の騒音源の方向に対して、一個の騒音検知センサーで騒音検知手段を構成することができ、スペースが限られたベッド上の空間がより広くなる。騒音源の方向が不明であり、あるいは複数の騒音源がそれぞれ別方向に同時に存在する場合には、騒音音波に応じて逆位相の消音音波を発生させ、騒音が耳に入るのと同期して骨伝導スピーカを作動させるために、それぞれの騒音源が騒音検知センサーに届くタイミングと人体の耳に届くタイミングの時間差を測定する必要があり、二個の騒音検知センサーを所定位置で配置することが必要である。

本発明の騒音低減装置の消音信号発生手段は、特定の騒音信号に対する特定の消音信号のデータベースと、騒音検知手段から出力される騒音信号とデータベースとを比較し同一消音信号を選択する選択手段と、選択された消音信号を発生する再生手段とで構成することができる。なお、特定の騒音信号とは、日常生活の中極普通に存在する一定な音圧や波長などの性質を持つ騒音パターンである。例えば、電車からの騒音、自動車のエンジンからの騒音、または人の喋り声などの騒音から記録された騒音信号である。特定の騒音信号に基づき、特定の消音信号パターンが作られ、データベースにで保存される。

このように、本発明の騒音低減装置は、外部から到来する騒音を騒音検知センサーで検出して騒音信号を出力すると伴に、特定の消音信号が記録されているデータベースから適切な消音信号を選択し、リアルタイムで再生手段に特定の消音信号を伝え、骨伝導スピーカに出力する。その結果、従来技術に比べて消音信号を形成する所要時間を短縮化でき、通常の騒音信号に対してリアルタイムで消音することができる。

また、本発明の騒音低減装置の消音信号発生手段は、騒音検知手段で検出されたデータベースに存在しない新しい騒音信号に基づき新しい消音信号のデータベースを構成する学習機能手段で構成することができる。この学習機能手段は、新しい騒音に対してデータ化処理機能を有し、新しい騒音の頻度を記録することができる。頻度が高い騒音信号に対して逆位相を持つ消音信号を生成し、データベースに保存することができる。学習機能手段は、日常の騒音を検知、判別、データ化および記録することができ、新しいデータベースを構成することができる。従って、本発明の騒音低減装置は常に新しい騒音信号に対応する消音信号パターンを有するデータベースで構成され、リアルタイムで騒音に対して消音を行うことができる。

また、選択された消音信号に従って本発明の騒音低減装置の骨伝導スピーカで消音音波が生成され、直接人体の頭部の骨組織に伝え、頭部の内耳で騒音音波に干渉作用を引起し、そして音波の合成により消音効果が現れる。本発明の騒音低減装置において、消音音波と騒音音波とが干渉作用を起して消音する消音スポットは、人体頭部の内耳であるため、骨伝導スピーカからから人体頭部の骨組織を介して耳の内耳までの距離が一定となる。骨伝導スピーカが人体の頭部に接触している限り、発生された消音音波が騒音音波と完全逆位相干渉をすることができ、人体が自由にベッド上の姿勢を変えることができる。従来方法ではスピーカが人体頭部付近に設置されるため、消音スポットの範囲が極めて限られ、睡眠時の姿勢をわずかに変えると消音スポットの範囲から出てしまい、消音効果が現れないという問題がある。

この骨伝導スピーカは睡眠用枕の内部に収納することができる。これにより睡眠用ベッドの上の限られた空間に特別にスピーカを配置する場所も必要でなくなり、ベッド上の空間を有効的に利用することができる。

本発明の騒音低減装置は、騒音検知手段と、消音信号発生手段と、骨伝導スピーカと、を有する。

本発明の騒音低減装置の騒音検知手段は例えば、ベッドの上で、人体頭部の付近に設置された一個あるいは二個のマイクロホンで構成することができる。騒音がマイクロホンで感知され、騒音信号として消音信号発生手段に出力される。騒音の発生源の位置及び騒音源からマイクロホンまでの距離が固定された場合、すなわち、騒音の到来する方向及び距離が一定である場合には、一個のマイクロホンで騒音検知手段を構成することができる。例えば、部屋にあるベッドの付近にマイクロホンの位置が固定され、そして騒音源として単なる窓から入って来る騒音を検知し、消音する場合では、窓を騒音源とし、窓からマイクロホンまでの距離及び相対位置が固定されるとすれば、一個のマイクロホンで騒音を検知することができる。逆に、騒音源の方向は不明であり、あるいは複数の騒音源が同時に存在する場合、騒音源の方向を測定する必要があり、二個のマイクロホンを所定位置で配置することが必要である。騒音検知手段には、騒音信号が大きくなる方向に自動的に移動させる移動手段を設けることも可能である。騒音が発生する方向に移動し、睡眠中最も大きな騒音を常に検知し、検出した主な騒音信号に対してリアルタイムで消音信号を発生することができる。

本発明の騒音低減装置の消音信号発生手段は消音信号演算手段からなる。消音信号演算手段は、マイクロホンから出力された騒音信号を計算し、消音信号を生成するものである。また、本発明の騒音低減装置の消音発生手段は、選択手段、データベース、学習機能手段及び再生手段を有することができる。選択手段は、騒音検知手段から出力される騒音信号とデータベースとを比較し同一の消音信号を選択するものである。再生手段は、選択手段で選択された消音信号を発生するものである。なお、複数個の騒音源が同時に存在する場合では、発生されたそれぞれの騒音音波に対して、演算手段が同時に消音するための複数個の消音信号を発生することができる。

また、データベースは、日常の様々なパターンの騒音信号に対して特定の消音信号を記録して、データベースとして保存している。さらに、学習機能手段は、データベースに存在しない新しい騒音信号に基づき新しい消音信号のデータベースを構成するものである。学習機能手段により、新しい騒音環境においても新たな騒音信号に応じて消音信号を生成し、データとして記録を行うことができる。

また、学習機能手段と選択手段及び再生手段とが連動されることにより、データベースに存在しない新しい騒音信号に対しても素早い消音信号を選択し出力することができる。つまり、騒音検出手段で感知された騒音信号を、選択手段を介してデータベースに記録されている消音パターンと比較し、データベースから一致したものを選択する。選択された消音パターンが再生手段を介して骨伝導スピーカに消音信号として出力される。これにより、本来消音信号演算手段での計算により発生する消音信号の生成時間が不要となり、騒音が検知されてから消音するまでの時間を短縮することができ、リアルタイムで消音することができる。

骨伝導スピーカは、人体の頭部に当接させて振動板の振動を骨組織に伝達させることにより音声を聴取させるもので、消音信号発生手段から入力された消音信号に従って消音音波を発生する。骨伝導スピーカが人体の頭部に当接されることによって、骨伝導スピーカから発生された消音音波が頭部の骨組織を介して、人体の内耳で耳の奥まで到達する騒音音波に干渉作用を起し、音波の合成により消音効果が得られる。本発明の騒音低減装置は骨伝導スピーカを用いて人体の内耳の奥で騒音の消音を行うため、睡眠時人体がベッド上の姿勢を自由に変えることができる。

以下、本発明の実施例騒音低減装置を、図１〜図８を参照して説明する。

まず、騒音低減装置の回路構成を図１に示した。図１から分かるように、騒音低減装置は、騒音検知手段２と、消音信号発生手段３と、骨伝導スピーカ４とで構成される。騒音検知手段２は一個のマイクロホン２０または二個のマイクロホン２０，２１で構成される。消音信号発生手段３は消音信号演算手段３０、選択手段３１、再生手段３２、データベース３３及び学習機能手段３４で構成される。骨伝導スピーカ４は枕１０２内に収納されている。

骨伝導スピーカ４により内耳部で消音を行う原理を図２に示す。図２から分かるように、例の二つの異なる騒音源Ｓ１、Ｓ２からの騒音Ｎ１、Ｎ２が発生され、騒音Ｎ１と騒音Ｎ２が合成した結果、騒音Ｎ３が形成され、外部から耳１１１の奥まで伝搬している場合を考える。骨伝導スピーカ４から発生された消音音波Ｂが人体１の頭部１１の骨組織１１２を介して耳の奥まで伝搬され、耳の内耳で騒音音波Ｎ２と音波干渉作用を行われ、内耳において消音領域Ｃが形成される。

消音効果を得るために、実施例の騒音低減装置をベッド１０１の近傍に配置した場合の人体１とベッド１０１との関係を図３、図４に示す。図３及び図４から分かるように、ベッド１０１の上には、消音信号を消音として伝える骨伝導スピーカ４が枕１０２に内蔵されている。ベッド１０１の近傍に、騒音検知手段２及び消音信号発生手段３が設置されている。骨伝導スピーカ４は枕１０２の中心部に設置することができる。睡眠時人体１の頭部１１が自然に枕１０２の中心部に当接するように、枕１０２のベッド１０１の上での設置位置を調整することができる。なお、骨伝導スピーカは市販されるものを用いることが可能である。

具体的には、図５に示すように、騒音源Ｓがマイクロホン２０と人体１の耳１１１の連結線の延長線上にある場合、即ち騒音源Ｓの方向が分かっている場合では、騒音源Ｓから発生する騒音音波Ｎが耳１１１まで到達するタイミングｔ３は一個のマイクロホン２０で決めることができる。つまり、騒音源Ｓと、マイクロホン２０と、耳１１１とが一直線にあるため、騒音源Ｓとマイクロホン２０の配置は同一方向である。またマイクロホン２０から耳１１１までの距離が一定であるので、時刻ｔ１にマイクロホン２０に到達する騒音音波Ｎがさらに耳１１１に届くのにかかる時間Ｔ１を信号演算装置３０で計算することができる。即ち、騒音音波Ｎが耳１１１に到達するタイミングｔ３を決定することができ、そして正確に消音音波Ｂを発生させることができる。

また、図６に示すように、騒音源Ｓ、マイクロホン２０、耳１１１の配置は一直線ではない場合は、騒音源Ｓの位置（方向）は一定とするとき、騒音源Ｓと、マイクロホン２０と、耳１１１との三者が一定な三角関数関係を有しているため、同様に、時刻ｔ１にマイクロホン２０に到達する騒音音波Ｎがさらに耳１１１まで到達するのにかかる時間Ｔ１を信号演算装置３０での計算により決定することもできる。すなわち、騒音音波Ｎが耳１１１に到達するタイミングｔ３を決定することができ、そして正確に消音音波Ｂを発生させることができる。これら二つの場合においては、騒音検知センサー２は一個のマイクロホン２０で構成することができる。

さらに、図７に示すように、騒音源Ｓの方向は不明である場合、騒音源Ｓから発生する騒音音波Ｎが耳１１１まで到達するタイミングｔ３を計るために、二個のマイクロホン２０、２１が必要である。つまり、騒音源Ｓの方向は騒音音波Ｎがマイクロホン２０、２１に到達する時間ｔ１、ｔ２の情報を基に求められる。図７に示すように、騒音音波Ｎが時刻ｔ１にマイクロホン２０に到達し、時刻ｔ２にマイクロホン２１に到達する。これにより、この方向からの騒音音波Ｎがマイクロホン２０、２１を通過するのにかかる時間はＴ１（ｔ２−ｔ１）が分かる。そしてマイクロホン２０、２１、耳１１１の位置が一定であるため、三角関数関係からマイクロホン２１に到達する騒音音波Ｎがさらに耳１１１に到達するのにかかる時間Ｔ２を信号演算装置３０での計算により決定することができる。すなわち、騒音音波Ｎは耳１１１に到達するタイミングｔ３を決めることができ、そして正確に消音音波Ｂを発生させることができる。このように、騒音音波Ｎが耳１１１に到達するタイミングｔ３に合わせて骨伝導スピーカ４により発生する消音音波Ｂを耳１１１の内耳で干渉作用を引き起こして消音することができる。

また、騒音源Ｓで発生された騒音Ｎから、人体内耳で消音音波Ｂの干渉により騒音Ｎが消音されるまでの過程を図８に示した。図８から分かるように、マイクロホン２０で騒音が集音され（Ｓ１）、騒音信号が形成された後消音信号発生手段３に送られる。消音信号発生手段３が有する消音信号演算手段３１で騒音信号が計算され（Ｓ２）、選択手段３１を介して、計算された騒音信号をデータベース３３に保存されている消音信号データと比較する（Ｓ３）、一致した消音信号パターンを呼び出し（Ｓ４）、再生手段３２を介して選択されたこの消音信号パターンが骨伝導スピーカ４に出力され（Ｓ５）、骨伝導スピーカの振動により消音音波を発生する（Ｓ６）。

また、マイクロホン２０、２１から出力された騒音信号がデータベース３３に存在しない新しい騒音信号であると選択手段３１が判断した場合、消音信号発生手段３が有する学習機能手段３４が作動する。この新しい騒音信号に対して消音信号演算手段３０と共に消音信号を生成し（Ｓ７）、生成した新しい消音信号パターンがデータとして記録され、頻度分析（Ｓ８）を行った後データベースに保存される（Ｓ９）と共に、骨伝導スピーカ４に出力する。

このように、実施例の騒音低減装置は、骨伝導スピーカ４から発生された消音音波Ｂが人体１の頭部１１の骨組織１１２を介して安定した径路で伝搬され、内耳において消音領域Ｃを形成することができる。従って、人体の姿勢の変動により消音スポットへの影響が抑えられ、逆位相の消音音波が正しく騒音音波と干渉作用を引き起こして消音することができる。

本発明の騒音低減装置の回路構成図である。 骨伝導スピーカにより耳内部で消音を行うイメージ図である。 本発明の騒音低減装置の平面図である。 本発明の騒音低減装置の側面図である。 騒音源がマイクロホンと耳の連結線の延長線上にある場合においての騒音伝搬タイミング図である。 騒音源が一定位置にある場合においての騒音伝搬タイミング図である。 騒音源の方向が不明である場合においての騒音伝搬タイミング図である。 本発明の騒音低減装置の作動フローチャートである。 空間内において音波の干渉により消音を行うイメージ図である。

符号の説明

１：人体 １１：頭部 １１１：耳 １１２：頭部骨組織
１０１：ベッド １０２：枕
２：騒音検知手段 ２０，２１：マイクロホン
３：消音信号発生手段
３０：消音信号演算手段 ３１：選択手段 ３２：再生手段
３３：データベース ３４：学習機能手段
４：骨伝導スピーカ ４１：通常のスピーカ
ｔ１，ｔ２，ｔ３：騒音音波到達する時刻（タイミング）
Ｔ１，Ｔ２：騒音音波伝搬する時間
Ｓ：騒音源 Ｎ：騒音音波 Ｂ：消音音波 Ｃ：消音領域

Claims (4)

1. 騒音源から発生する騒音を検知する騒音検知手段と、
   前記騒音の位相と逆位相の消音信号を発生する消音信号発生手段と、
   該消音信号を消音として伝える骨伝導スピーカと、を有することを特徴とする騒音低減装置。
2. 前記騒音検知手段は、一個あるいは二個の騒音検知センサーから構成されている請求項１に記載の騒音低減装置。
3. 前記消音信号発生手段は、特定の騒音信号に対する特定の消音信号のデータベースと、前記騒音検知手段から出力される前記騒音信号と前記データベースとを比較し同一消音信号を選択する選択手段と、選択された該消音信号を発生する再生手段とからなる請求項１に記載の騒音低減装置。
4. 前記消音信号発生手段は、前記騒音検知手段で検出され前記データベースに存在しない新しい騒音信号に基づき新しい消音信号のデータベースを構成する学習機能手段を持つ請求項３に記載の騒音低減装置。

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