JP2008032767A

JP2008032767A - 能動騒音低減システム

Info

Publication number: JP2008032767A
Application number: JP2006202771A
Authority: JP
Inventors: Masashi Hayashi; 昌志林; Yoshio Nakamura; 由男中村; Koyo Ando; 公洋安藤; Kazuyoshi Umemura; 一義梅村; Shinichi Oki; 信一大木; Kenji Okamoto; 憲治岡本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008013184A1; US20090208025A1; EP2026326A1; CN101427305A

Abstract

【課題】オーディオの再生装置に大掛かりな設計変更を要しない能動騒音低減システムを提供することを目的とする。
【解決手段】電気機械変換器２が複数の独立した電気入力部３，４を持ち、能動騒音低減コントローラ１の出力を電気入力部３に、オーディオ部９からのオーディオ信号を電気入力部４に入力し、これらは振動部７で機械的に合成され空間８へ音波として放射される。このことにより、既存のオーディオ再生装置に大きな装置を与えることなく能動騒音低減機能とオーディオ再生機能の両立が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動騒音を能動的に低減する能動騒音低減システムに関し、とりわけ車両の車室内の騒音を車両の全体構成や機器にできるだけ影響を与えずに能動的に低減するための構成に関するものである。

一般的に能動騒音低減装置においては、騒音と相関の高い信号を抽出し、それを適応型フィルタで処理してスピーカ等の電気機械変換器に加え、干渉波信号として騒音と干渉させることによって騒音を低減させるという方法が知られている。

実際にこのような能動騒音低減装置を車両に適用する場合には、車両にはオーディオシステム等が標準的に具備されており、これらのオーディオシステム等に使用されているオーディオアンプや電気機械変換器としてのスピーカを能動低減装置と共用化して使用することが合理的であるとして、オーディオシステムと能動騒音低減装置を一体化した構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来の構成においては、騒音を低減させるための騒音制御電気信号をオーディオコントローラからのオーディオ信号と電気的に加算し、その合成電気信号をパワーアンプで増幅し、オーディオを再生するためのスピーカに出力して騒音の低減とオーディオの再生の両機能を実現している。
特開平６−１３０９７１号公報

しかしながら、既存オーディオと騒音低減装置を一体化した上記従来例では、オーディオのスイッチをＯＦＦにした場合でも騒音低減機能は動作させる必要があるため、少なくともオーディオのパワーアンプはそれと関係なくＯＮにしておく必要がある。即ち、オーディオのシステムの内、少なくともパワーアンプだけはオーディオスイッチとは関係なく、イグニッションスイッチ等の信号により動作をさせることが必要となる。また、このような騒音低減のみを実行している状態から今度はオーディオのスイッチをＯＮした場合には、パワーアンプより前段のオーディオコントローラ部分が立ち上がるため、過渡音（ポップ音）の発生の可能性がある。この過渡音の防止の為には、パワーアンプがオーディオスイッチがＯＮされたことを検出し、一定時間オーディオコントローラからの信号をミュートする等の処理が必要になるなど、既存のオーディオシステムの大きな設計変更と改造が必要になるという課題がある。また、一般的には車載用オーディオシステムに使用される電源電圧は１２Ｖであり、パワーアンプの終段構成はＢＴＬ方式が用いられているから、オーディオのみの再生状態でのオーディオ出力は
（スピーカのインピーダンスが４Ωの場合の理論的な無歪最大出力電力）
Ｐｍａｘ＝Ｖｃｃ²／（２×４）＝１８Ｗ
但し、Ｖｃｃは電源電圧＝１２Ｖ
一方騒音低減のために必要な出力電力Ｐｏを１Ｗとすると、そのための騒音制御信号電圧のピーク値Ｖｎｅは

オーディオ信号と騒音制御信号は電気的に加算されているから、騒音制御の為に１Ｗ（騒音制御信号電圧は２．８３Ｖ−ｐ）が必要な場合の、オーディオ信号の理論的無歪最大出力Ｐｎｅは
Ｐｎｅ＝（１２−２．８３）²／（２×４）＝１０．５Ｗ
即ち、騒音低減の為に１Ｗの電力が必要になると、オーディオ信号の理論的無歪最大出力電力は１８Ｗから１０．５Ｗへと大幅に減少してしまうという課題があった。

本発明は既存オーディオと能動騒音低減装置を一体化する上で、電気機械変換器においてオーディオ信号と騒音制御信号を機械的に結合することによって既存オーディオシステムに大きな影響を与えない構成の能動騒音低減システムを提供することを目的とする。

本発明の能動型騒音低減システムは、騒音源に起因する騒音を低減するために、騒音と略同振幅、略逆位相の干渉信号を生成する能動騒音制御コントローラと複数の独立した電気入力部を持ち、前記複数の電気入力部に加えられたそれぞれの電気信号を一つの振動部における機械的振動に変換する電気機械変換器とからなり、前記能動騒音制御コントローラの出力を前記電気機械変換器の複数の電気入力部の少なくとも１つ以上に加えることによって騒音を低減するとともに前記電気機械変換器の他の電気入力部にオーディオ信号を加えることによってオーディオ信号の再生をも行わせる構成を特長とする。

本発明の能動型騒音低減システムは、システムを構成する電気機械変換器が複数の独立した電気入力部を持ち、これらに加えられた複数の電気信号のそれぞれを一つの振動部における機械振動に変換する機能をもっている。即ち、電気機械変換器が持つ複数の電気入力部に加えられた複数の電気信号は一つの振動部において機械的に合成されることになり、電気的な加算をする必要がなく、既存のオーディオシステムに大きな設計変更や改造を加えることなく、騒音低減とオーディオの再生を両立させるシステムが構築できるという作用効果が得られる。

また、電気機械変換器を一般的な動電型スピーカの構成で、その磁気ギャップの中に機械的には同一の振動板に結合しているが電気的には独立した複数の線輪を設け、一方の線輪には騒音制御のための電気信号、他方の線輪にはオーディオ信号を加えることによって、既存のオーディオシステムに大きな設計変更や改造を加えることなく、騒音低減とオーディオの再生を両立させるシステムが構築できるという作用効果が得られることに加え、複数の電気入力部を持つ電気機械変換器自身も簡単な構成で実現できるという作用効果が得られる。

また、電気機械変換器の複数の電気入力部のうち前記能動騒音制御コントローラからの出力以外が接続された入力部において、直流信号を含む入力信号を検出した時は、前記能動騒音制御コントローラの騒音制御のためのパラメータを変更することによって、電気機械変換器の複数の電気入力部に加えられた信号による電気機械変換特性の変化を補償し、より安定な騒音低減システムを実現できるという作用効果が得られる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における能動騒音低減装置について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における能動騒音低減システムのブロック図である。

図１において、能動騒音低減コントローラ１は基準信号生成部１３、適応フィルタ１４、伝達特性補正部１５、係数更新部１６、制御パラメータ変更部１２からなり騒音と略同振幅、略逆位相の騒音干渉電気信号Ｖａを生成する。電気機械変換器２は２つの電気入力部３，４を持ちそれぞれの電気入力をアクチュエータ５，６にてそれぞれの機械的運動に変換する。そしてこれらのアクチュエータは一つの振動部７に結合されており、振動部７はアクチュエータ５，６の運動が加算された状態で振動し音波として空間８に音として放射する。電気入力部３には能動騒音低減コントローラ１からの出力が接続されており、もう一方の電気入力部４にはオーディオ部９からの出力が接続されている。マイクロホン１０は空間８内で騒音を低減したい場所に設置され、元の騒音と電気機械変換器２からの音波との干渉結果を誤差信号Ｖｅとして検出し、この誤差信号Ｖｅを能動騒音低減コントローラ１にフィードバックしている。オーディオ部動作検出部１１はオーディオ部９の動作状態を検出し、検出結果を能動騒音低減コントローラ１の制御パラメータ変更部１２に入力し、能動騒音低減コントローラ１の動作パラメータを変化させることができるようになっている。

オーディオ部９はＣＤやラジオ等のソース源１７とパワーアンプ１８より構成されている。

次に本装置の具体的な動作を説明する。

まず、能動騒音低減コントローラ１は基準信号生成部１３で低減すべき騒音と相関の高い基準信号Ｖｋを生成する。具体的には騒音源におかれた振動ピックアップからの信号や自動車のエンジン回転に起因する周期性騒音などの場合はエンジン回転に同期したインパルス列等が利用できる。適応フィルタ１４はｋ番目のフィルタ係数がＷ_k(n)（ｎは離散時間を表す。また、ｋ＝１・・・Ｎ）であるＮタップのデジタルＦＩＲフィルタであり、個々のフィルタ係数は係数更新部１６により変化させられるようになっている。そして基準信号Ｖｋは適応フィルタ１４によりフィルタリングされ能動騒音低減コントローラ１の出力として騒音干渉電気信号Ｖａを発生する。騒音干渉電気信号Ｖａは電気機械変換器２の電気入力部３に入力されアクチュエータ５により機械運動に変換されて振動部７に伝達され、振動部７が機械振動することによって空間８内に騒音制御音として放射される。マイクロホン１０は騒音と電気機械変換器２からの音波との干渉結果を誤差信号Ｖｅとして検出する。伝達特性補正部１５は能動騒音低減コントローラ１の出力から電気機械変換器２、空間８を通じてマイクロホン１０の出力にいたる経路の伝達特性を模擬した特性を持つデジタルフィルタからなり、基準信号Ｖｋをフィルタリングして参照信号Ｖｓとして係数更新部１６に出力する。係数更新部１６は参照信号Ｖｓ及び誤差信号Ｖｅを用いて、以下の計算式により適応フィルタ１４のフィルタ係数を逐次更新していく。

Ｗ_k(n＋１)＝Ｗ_k(n)−μ×Ｖｅ（ｎ）×Ｖｓ（ｎ−ｋ＋１）
ここで、μは収束係数と呼ばれ、係数更新計算における係数更新速度をコントロールする重要なパラメータである。

このアルゴリズムはＦｉｌｔｅｒｅｄＸ−ＬＭＳと呼ばれ公知のものであり、上記係数更新を繰り返すことによって適応フィルタ１４は、基準信号Ｖｋと相関のあるマイクロホン１０の位置の騒音が減少するように、即ち誤差信号Ｖｅが小さくなるように収束していき、マイクロホン１０の位置での騒音が減少する。

このＦｉｌｔｅｒｅｄＸ−ＬＭＳのもう一つの重要なポイントは参照信号Ｖｓであり、基準信号Ｖｋを正確に能動騒音低減コントローラ１の出力から電気機械変換器２、空間８を通じてマイクロホン１０の出力にいたる経路の伝達特性を模擬した特性でフィルタリングすることが必要になる。即ち、伝達特性補正部１５のフィルタ特性が能動騒音低減コントローラ１の出力から電気機械変換器２、空間８を通じてマイクロホン１０の出力にいたる経路の伝達特性に一致していることが重要となる。これらが大きく相違してしまうと、騒音低減性能の低下はもちろん重大なケースでは発散に至る場合もある。

一方、オーディオ部９からのオーディオ出力は電気機械変換器２の電気入力部４に入力され、アクチュエータ６により機械運動に変換されて振動部７に伝達され、振動部７が機械振動することによって空間８内にオーディオ音として放射される。ここまでの説明で明らかなように、能動騒音低減コントローラ１からの出力である騒音干渉電気信号とオーディオ部からのオーディオ信号は電気機械変換器２に独立して入力され、振動部７にて機械振動として合成される。その結果、振動部７の合成された機械振動は空間８内に騒音制御音とオーディオ音を放射することになり、オーディオ部９と能動騒音低減コントローラ１は電気的にはほとんど独立した状態でオーディオ音の再生と騒音制御が一つの電気機械変換器２で両立することになり、既存オーディオシステムに大きな影響を与えない構成の能動騒音低減システムを提供できるという効果がある。

次に、オーディオ部動作検出部１１及び制御パラメータ変更部１２の役割について説明する。図２は、電気機械変換器２の構造図である。図２においてアクチュエータ５、６はそれぞれマグネット１９、ヨーク２０、マグネット１９とヨーク２０で形成された磁気ギャップ２１に配置された可動線輪２２ａ、２２ｂからなり、可動線輪２２ａ、２２ｂの上端部は振動部７にそれぞれ接続されている。入力部３、４はそれぞれ可動線輪２２ａ、２２ｂに接続されている。この構造は一般的に動電型アクチュエータと呼ばれるものであり、磁束中に置かれた導電体に電流が流れることにより発生する電磁力をその基礎としている。

ここで、入力部３に電気入力を加えた場合を考えてみると可動線輪２２ａには次式の力Ｆが発生する。

Ｆ＝Ｂｌｉ（１）
ここでＢは磁気ギャップ２１における磁束密度、ｌは可動線輪２２ａの磁気ギャップ中の線輪の長さ、ｉは可動線輪に流れる電流である。

この力Ｆが振動部７に伝わり、振動部７は振動するのであるが、振動部７にはもう一方の可動線輪２２ｂが接続されており、入力部３に加えられた信号による振動部７の振動によりもう一方の可動線輪２２ｂには次式で示すような逆起電力Ｖｒが発生する。

Ｖｒ＝ｖＢｌ（２）
ここでＢは磁気ギャップ２１における磁束密度、ｌは可動線輪２２ｂの磁気ギャップ中の線輪の長さ、ｖは振動部７の振動速度である。

ここで電気入力部４にオーディオ用のパワーアンプが通電状態で接続されている場合を考えると、通電状態のパワーアンプは理想的にはその出力インピーダンスは０Ωであるため、可動線輪２２ｂで発生した逆起電力Ｖｒによる電流Ｉｒが次式のようにパワーアンプを通じて流れることとなる。

Ｉｒ＝Ｖｒ／Ｒ（３）
ここでＲは可動線輪２２ｂの電気抵抗である。

この電流はまた可動線輪２２ｂを流れることにもなるから、上記式（１）と同じように可動線輪２２ｂ側にも電磁力Ｆｒを発生させる。

一方電気入力部４にオーディオ用のパワーアンプが無通電状態で接続されている場合には、パワーアンプの出力インピーダンスはほぼ無限大と考えられるため、可動線輪２２ｂで発生した逆起電力Ｖｒによる電流は０であり、従ってＦｒは発生しない。

図３は図２で示した電気機械変換器の音響特性を示す特性図であるが、２３は一方の電気入力部に無通電状態のパワーアンプが接続された時の音響特性であり、２４は同じく通電状態のパワーアンプが接続された時の音響特性である。

２３、２４を比較すると一部の帯域で大きく特性が変化しているのがわかる。

このように、電気入力部４に接続されたオーディオ用のパワーアンプが通電状態か無通電状態かによって可動線輪２２ｂ側に発生する電磁力に差が発生するということは、振動部７の振動特性に変化を生じるということであり、つまるところ、図１における構成の能動騒音低減システムの中で、能動騒音低減コントローラ１の出力から電気機械変換器２、空間８を通じてマイクロホン１０の出力にいたる経路の伝達特性が変化してしまい、ＦｉｌｔｅｒｅｄＸ−ＬＭＳアルゴリズムがうまく動作しないということになる。

従って、能動騒音低減コントローラ１の動作条件を電気入力部４に接続されたオーディオ用のパワーアンプが通電状態か無通電状態かによって変える必要が発生するため、オーディオ部動作検出部１１でオーディオ部９の通電状態もしくはオーディオ部９の出力の直流成分を含めた信号成分を検出する。オーディオ部９の出力の直流成分を含めた信号成分を検出することの意味は、一般的にオーディオ９のパワーアンプ１８の出力段はＢＴＬ構成となっており、パワーアンプが通電された場合は電源電圧の１／２まで直流電位が上昇することになり、この直流電位を検出することで、パワーアンプ１８が通電されているかどうかが判断できることにある。そして、この検出信号により制御パラメータ変更部１２で能動騒音低減コントローラ１の制御パラメータ、具体的には収束係数μや伝達特性補正部１５のフィルタ特性の変更を行うことによって、オーディオ部９の通電状態か否かによって発生する動作条件の変化に対しても、騒音低減性能が変化せず、安定な能動騒音低減システムが提供できるという効果がある。

或いは、電気入力部４に例えばリレーなどの電気的に制御可能な切替器を設置することによって、オーディオ部動作検出部１１でオーディオ部９の通電状態を検出し、オーディオ用のパワーアンプ１８が無通電状態である場合に、電気入力部４を短絡して可動線輪２２ｂ側に発生する電磁力をパワーアンプ１８が通電状態の場合と一致させることにより、図１における構成の能動騒音低減システムの中で、能動騒音低減コントローラ１の出力から電気機械変換器２、空間８を通じてマイクロホン１０の出力にいたる経路の伝達特性を一定にすることで、騒音低減性能が変化せず、安定な能動騒音低減システムが提供できる。

また図４は他の構造の電気機械変換器の構造図であり、マグネット１９、ヨーク２０、マグネット１９とヨーク２０で形成された磁気ギャップ２１に機械的に結合された２つの可動線輪２２ｃ、２２ｄが配置されている。２つの可動線輪のうち、可動線輪２２ｄは入力インピーダンスを高くすることにより、可動線輪２２ｃより線径を細くすることが可能となる。細い線輪を内側へ結合することにより、外側へ結合する可動線輪２２ｃも均一に線輪の結合が可能となり、理想的な可動線輪を形成することができる。機械的に結合された２つの可動線輪２２ｃ、２２ｄは振動部７に結合されている。また、２つの可動線輪２２ｃ、２２ｄの終端は外部に引き出され電気入力部３、４を形成している。

この構造は、基本部分で通常のスピーカの構造を踏襲しており、いわゆるボイスコイルと呼ばれる線輪が機械的に結合された２つの独立した線輪に変更されただけであり、容易に２つの独立した電気入力部を持つ電気機械変換器を構成でき、且つ、入力インピーダンスの低い電気入力部３へオーディオ部９の出力信号を入力し、入力インピーダンスの高い電気入力４へ騒音干渉電気信号Ｖａを入力することにより、既存オーディオシステムに大きな影響を与えない構成の能動騒音低減システムを容易に提供できるという効果がある。

本発明にかかる能動騒音低減システムは、既存オーディオシステムに大きな変更を加えることなく、能動騒音低減の機能を実現できることから、低コストで実用性のある能動騒音低減装置として有用である。

本発明の実施の形態１における能動騒音低減システムのブロック図電気機械変換器の構造図電気機械変換器の伝達特性を示す特性図他の構造の電気機械変換器の構造図

符号の説明

１能動騒音低減コントローラ
２電気機械変換器
３電気入力部
４電気入力部
５アクチュエータ
６アクチュエータ
７振動部
８空間
９オーディオ部
１０マイクロホン
１１オーディオ部動作検出部
１２制御パラメータ変更部
１３基準信号生成部
１４適応フィルタ
１５伝達特性補正部
１６係数更新部
１７ソース源
１８パワーアンプ
１９マグネット
２０ヨーク
２１磁気ギャップ
２２線輪
２３パワーアンプが無通電状態の電気機械変換器の伝達特性
２４パワーアンプが通電状態の電気機械変換器の伝達特性

Claims

騒音源に起因する振動騒音を低減するために、前記振動騒音と略同振幅、略逆位相の干渉信号を生成する能動騒音制御コントローラと複数の独立した電気入力部を持ち、前記複数の電気入力部に加えられたそれぞれの電気信号を一つの振動部における機械的振動に変換する電気機械変換器とからなり、前記能動騒音制御コントローラの出力を前記電気機械変換器の複数の電気入力部の少なくとも１つ以上に加えることによって前記振動騒音を低減することを特徴とする能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部の少なくとも１つ以上に前記能動騒音制御コントローラからの出力を加えるとともに、他の電気入力部にはオーディオ信号を加えることを特徴とした請求項１に記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器が動電型スピーカであり、複数の電気入力部は一つの磁気ギャップ中に設置され、それぞれが機械的に結合された複数の独立した可動線輪のそれぞれの可動線輪の両端であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部のうち能動騒音制御コントローラからの出力以外が接続された入力部において、直流信号を含む入力信号を検出した時は、前記能動騒音制御コントローラの騒音制御のためのパラメータを変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部のうち前記能動騒音制御コントローラからの出力以外が接続された入力部において、接続された機器が通電状態であることを検出した時は、前記能動騒音制御コントローラの騒音制御のためのパラメータを変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の動電型スピーカにおいて、複数の電気入力部の独立した可動線輪は、それぞれの入力インピーダンスが異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の動電型スピーカにおいて、複数の電気入力部の独立した可動線輪を機械的に結合する際、入力インピーダンスの高い可動線輪を内側に結合し、入力インピーダンスの低い可動線輪を外側に結合することを特徴とする請求項６に記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部のうち、前記能動騒音制御コントローラからの出力以外が接続された入力部において、能動騒音制御コントローラからの動作休止信号を検出した時は、前記入力部へ信号を出力するオーディオ装置などの出力特性を補正して、能動騒音制御コントローラの動作に関わらず一定の音響特性を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部のうち、前記能動騒音制御コントローラからの出力以外が接続された入力部において、接続された機器が動作を停止したことを検出した時は、前記入力部の端子を短絡させることによって、前記能動騒音制御コントローラの騒音制御のための音響特性の変化を抑制することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。
電気機械変換器の複数の電気入力部のうち、前記能動騒音制御コントローラからの出力が接続された入力部において、能動騒音制御コントローラからの動作休止信号を検出した時は、前記入力部の端子を短絡させることによって、オーディオ装置などの出力特性の変化を抑制することによって、能動騒音制御コントローラの動作に関わらず一定の音響特性を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の能動騒音低減システム。