JP2010020010A - アクティブ消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答特性を改善したアクティブ消音装置の提供
【解決手段】スピーカ部の構成は、音を発生する振動板１１０，振動板を駆動するためのボイスコイル１２０，振動板の動きを検出する距離センサ１３０で構成されている。ＬＥＤ１３２から発生し、それが振動板１１０により反射した反射光をフォトトランジスタ１３４により検出して、振動板との距離を測定して、振動板１１０の動きを検出している。
回路において、マイク１４０で検出した騒音を逆位相生成部１５０により、騒音とは逆位相の信号を発生する。逆位相生成部１５０からの逆位相の信号と、距離センサ１３０からのスピーカとの距離信号との差が差分増幅器１７０で演算されて、ＰＩＤ制御部１６０に入力される。この差分（偏差ｅ）は、スピーカの動きの遅れを示している。ＰＩＤ制御部１６０により、その差分を打ち消す方向でフィードバック制御が行われる。
【選択図】図４

Description

本願発明は、騒音に対して逆位相の音を発生することにより、騒音を消音するアクティブ消音装置に関し、特に応答特性を改善した消音装置に関するものである。

騒音を、それに対して逆位相の音を発生することにより、アクティブに消音する消音装置は、以前から使用されていた。
図１−１は、アクティブ消音装置による消音の概略を説明する図である。図１−１に示すように、アクティブ消音装置は、騒音源１０からの騒音を人５０がいる地点で打ち消すように、騒音源からの音をマイク２０で拾い、その騒音信号に対して、アンプ３０により逆位相で増幅し、スピーカ４０により逆位相で音を発生する。
図１−２は、そのアクティブに消音するための具体的構成例を示すものである。騒音は、マイクＡ２０で電気的信号に変換されて、スピーカ４０で再生したときに消音するのに適切な発生音となるように適応フィルタ３２により処理され、アンプ３０で増幅されて、スピーカ４０から出力される。出力された音で騒音を相殺し、適切に消音されたかどうかをモニタマイクＢ３４で検出する。モニタマイクＢ３４で電気信号に変えられた信号は、適応フィルタ３２にフィードバックされ、適切な音をスピーカ４０から発生するように適応フィルタ３２の係数を変化させる。
これらの構成は、入力された電気信号をデジタルに変換して、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号処理プロセッサ）等を用いてデジタル信号処理されることで実現されていることが多い。アクティブ消音装置については、例えば特許文献１等を参照されたい。

さて、消音装置におけるスピーカの利用において問題となっていることの１つは、図２のグラフに示すような、スピーカによる応答遅れである。図２（ａ）はスピーカへの入力信号のグラフであり、図２（ｂ）はスピーカの動きのグラフである。
図２のグラフにおいて、（ａ）に示したステップ信号の入力信号を、通常のボイスコイルによるダイナミック型スピーカに印加した場合、スピーカは、概略（ｂ）に示すように、立ち上がりで遅れて動作する。このような動作の遅れがある場合、消音対象のエリアとスピーカとの距離が近い場合、消音開始時点では十分に消音ができない。

また、騒音の音源が、例えば、マンションの上階の床から響いているような、平面から発生されている場合、これを相殺するためには、平面波を発生できる、振動板が平面である平面スピーカを用いるとよい。これを図３により説明する。図３において、騒音は平面１２から発生している。平面１２から発生しているために、平面波として空気中を伝播している。これに対して、平面スピーカ５０から、騒音と逆位相の平面波を発生させると、騒音の平面波の山（＋）と谷（−）と、発生された音の平面波の谷（−）と山（＋）とが一致し、完全に相殺され、騒音が消音される。
平面スピーカを利用して、大きな平面から発生する騒音を相殺する場合には、複数のボイスコイルを用いて、平面である振動板を駆動する必要がある。しかしながら、使用する複数のボイスコイルの特性にはばらつきがあり、平面の振動板を一律に駆動できないという問題もあった。
なお、アクティブに消音するときに、平面スピーカを利用したものとして、例えば、特許文献２等がある。

特開平５−６１４８０号公報 特開２００７−３２１３３２号公報

この発明の目的は、消音装置において、騒音が入力されてからスピーカからの打ち消すための出力が遅れることを少なくすることである。
さらに、複数のボイスコイルで駆動する広い面を有する平面スピーカで、個々のボイスコイルの特性のばらつきによる影響を少なくして、広い面積に対して消音ができる消音装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、騒音を入力するマイクと、騒音を消音する音を発生するスピーカと、前記マイクからの騒音信号から、騒音信号と逆位相の信号を生成する逆位相信号生成部と、前記スピーカの振動板の動きを表す信号を発生する距離センサと、前記逆位相信号生成部からの逆位相信号に対して、該距離センサからの信号によりフィードバック制御して、前記スピーカを駆動するフィードバック制御部とを備えることを特徴とするアクティブ消音装置である。
また、騒音を入力する少なくとも１つのマイクと、ｎ個（ｎ：２以上の自然数）のボイスコイルで駆動されている、平面の振動板を有する平面スピーカと、前記マイクからの騒音信号から、騒音信号と逆位相の信号を生成する逆位相信号生成部と、各ボイスコイルの近傍に設けられているｎ個の距離センサと、前記逆位相信号生成部からの逆位相信号に対して、該ｎ個の距離センサからのそれぞれの信号によりフィードバック制御して、各距離センサの近傍にあるそれぞれのボイスコイルを駆動するｎ組のフィードバック制御部とを備えることを特徴とするアクティブ消音装置である。
前記フィードバック制御部は、前記距離センサからの信号と前記逆位相信号生成部からの逆位相信号との差信号により、ＰＩＤ制御を行うとよい。

これら構成により、スピーカの振動板の動きのフィードバック制御を行って、スピーカの応答特性を改善することができる。これにより、衝撃音の消音もできるようになる。
また、平面の振動板を有する平面スピーカにおいて、複数のボイスコイルで平面の振動板を駆動するとともに、各ボイスコイルの近傍に距離センサを設置して、各ボイスコイルごとに、複数のフィードバック・ループを形成することで、平面波により、衝撃音の消音が可能になる。さらに、ボイスコイルの特性の違いもフィードバック制御により、打ち消すことができるので、より良い平面波を発生することができる。

図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。
図４は、この発明の実施形態であるアクティブ消音装置１００の概略構成を示す図である。図４（ａ）は、アクティブ消音装置１００のスピーカ部の構成、図４（ｂ）は、アクティブ消音装置１００の回路の構成を示している。
図４（ａ）のスピーカ部の構成は、音を発生する振動板１１０，振動板を駆動するためのボイスコイル１２０，振動板の動きを検出する距離センサ１３０で構成されている。図４（ａ）では、振動板１１０として平面振動板を用いた例を示しているが、コーン型等でもよい。
また、図４（ａ）の構成では、距離センサ１３０として、光の反射を利用したものを使用している。図において、ＬＥＤ１３２から発生し、それが振動板１１０により反射した反射光をフォトトランジスタ１３４により検出して、振動板との距離を測定して、振動板１１０の動きを検出している。距離センサ１３０として、例えば、振動板１１０とセンサ１３０との間に電極を設け、その間の静電容量を検出して距離を検出する容量センサを用いてもよい。

図４（ｂ）の回路において、マイク１４０で検出した騒音を逆位相生成部１５０により、騒音とは逆位相の信号を発生する。この逆位相生成部１５０は、例えば、図１−２に示したような、モニタマイクによるフィードバックを有する適応フィルタ等を用いた回路構成を用いるとよい。なお、マイク１４０は騒音を検出するために適した位置に設置する。
逆位相生成部１５０からの逆位相の信号と、距離センサ１３０からのスピーカとの距離信号との差が差分増幅器１７０で演算されて、ＰＩＤ制御部１６０に入力される。この差分（偏差ｅ）は、スピーカの動きの遅れを示している。ＰＩＤ制御部１６０により、その差分を打ち消す方向でフィードバック制御が行われる。

さて、ＰＩＤ制御とは、従来から知られた制御であり、Ｐ：Proportional（比例），Ｉ：Integral（積分），Ｄ：Derivative（微分）の演算を組み合わせた制御であり、現在の偏差ｅに比例した修正量を出す比例動作（Proportional Action：Ｐ動作）と、過去の偏差ｅの累積値に比例した修正量を出す積分動作（Integral Action：Ｉ動作）と、偏差ｅが増加しつつあるか減少しつつあるか、その傾向の大きさに比例した修正量を出す微分動作（Derivative Action：Ｄ動作）との３つを加算合成したものである。
ＰＩＤ制御では、目標値と実際値との間にズレが発生したとき、つまり偏差ｅが発生したとき、比例動作は偏差eの変化に対して、直ちに応動するという「即応追従」動作をし、積分動作は偏差ｅがゼロになるまで、つまり目標値と実際値がピッタリ一致するまで制御出力を出し続けるという「継続追従」動作をし、さらに微分動作は偏差ｅの変化率の大きさから将来の動きを予測し、これに対応する制御出力を出す「予見追従」動作をしているとみることができる。つまり、ＰＩＤ制御は、変化に対して「即応追従」、「継続追従」および「予見追従」という動作を組合せた制御を実行している。
図４（ｂ）の回路は、アナログ信号をデジタルに変換し、ＤＳＰ（Digital Signal Processor：デジタル信号処理プロセッサ）等を用いてデジタル信号処理後アナログ変換し、アンプ１８０で増幅後ボイスコイル１２０を駆動することで、実現してもよい。

さて、このようなフィードバック制御をスピーカの振動板の駆動に用いることの効果を図５で説明する。図５（ａ）は、フィーバックを行う前の図４のボイスコイルに印加するべき駆動信号であり、図２（ａ）と同じものである。図５（ｂ）は、フィードバック後のスピーカ（振動板１１０）の動作であり、図５（ｃ）は、距離センサ１３０，差動増幅器１７０，ＰＩＤ制御部１６０，アンプ１８０，ボイスコイル１２０，振動板１１０で構成されるフィードバック・ループの周波数特性を示し，図５（ｄ）はフィードバック後の駆動信号（アンプ１８０の出力）の例である。ｆ_０は、図５（ｃ）に示すように、フィードバック・ループの周波数特性で、利得が０となる周波数である。
図５（ｂ）に示すように、スピーカの応答特性は、フィードバック・ループの周波数特性により決定されるが、十分に改善されている。
このため、上述の図４に示すアクティブ消音装置１００を用いると、衝撃性の騒音（衝撃音）でも、十分に追従して消音することができる。

図６は、広い平面振動板を複数のボイスコイルで駆動するアクティブ消音装置２００の構成を示し、図６（ａ）は、スピーカ部の構成を示し、図６（ｂ）は回路を示している。なお、騒音は図６（ａ）の右側から聞こえてきて、振動板２１０の正面（図６（ａ）の左側）で、アクティブ消音装置２００により音が消えるように制御されている。

図６（ａ）において、長方形の平面振動板２１０の四隅に平面振動板を駆動する４つのボイスコイル２２２，２２４，２２６，２２８を備えている。そして、各ボイスコイルの近傍に、距離センサ２３２，２３４，２３６，２３８を設けて、各ボイスコイルによる平面振動板の駆動を検出している。そして、振動板２１０の中央付近に、騒音を検出するマイク２４０を設けている。なお、マイク２４０は、振動板２１０とは接触しないように設置されている。

図６（ｂ）の回路において、マイク２４０により騒音が検出されて、逆位相生成部２５０に入力され、騒音と逆位相の信号が発生する。逆位相生成部２５０は、図４（ｂ）の逆位相生成部１５０と同様の構成である。
この逆位相生成部２５０からの信号は、ボイスコイルごとのフィードバック・ループの一部である差動部２７２，２７４，２７６，２７８の一方に入力する。差動部２７２，２７４，２７６，２７８の他方には、各ボイスコイルの近傍に設けた距離センサ２３２，２３４，２３６，２３８からの出力が印加されている。差動部２７２，２７４，２７６，２７８からの出力は、ぞれぞれ、ＰＩＤ制御部２６２，２６４，２６６，２６８及び増幅器２８２，２８４，２８６，２８８を介して、ボイスコイル２２２，２２４，２２６，２２８に出力する。
この各ボイスコイルに対するフィードバック・ループ構成は、図４（ａ）に示した１つのボイスコイルに対する回路構成と同様のものであり、動作も同じである。

このように、平面の振動板を駆動する複数ボイスコイルごとに、フィードバック・ループにより制御することにより、大きな平面の振動板で平面波を発生する場合に、応答特性が改善されるばかりではなく、各ボイスコイルの特性のばらつきも少なくすることができる。
このような複数のボイスコイルを用いて、大きな平面の振動板を駆動することができるので、例えば、マンションの天井に設置することにより、マンションの上階からの床衝撃音の消音や、事務室の仕切り板に用いることで、隣からの騒音を消音することもできる。
なお、図６では、騒音を検出するマイクが１つで、各ボイスコイルに対して、同一の逆位相信号を入力する場合で説明したが、複数のマイクを用いて複数の異なる場所で騒音を検出し、その騒音を消音するように振動板を駆動するために、各ボイスコイルに対して別々の信号を発生してもよい。さらに、平面の振動板を駆動するボイスコイルは、図６では４個設けた場合を示しているが、平面の振動板を駆動するために適切な数のボイスコイルであれば、４個に限る必要はない。

さて、マンション等で、上階から聞こえる床衝撃音が、騒音として問題となることが多い。この床衝撃音への対策として、図６に示したアクティブ消音装置を用いた例を、図７−１，図７−２を用いて説明する。
図７−１は、マンションの天井部分に設置したアクティブ消音装置の全体的な概略構成を示す図であり、図７−２（ａ）は、４つあるボイスコイルを組み込んだ駆動部の１つと振動板との詳細構成を示す図であり、図７−２（ｂ）は２つのボイスコイルの接続関係を示す図である。

図７−１において、マンションの上の部屋の床３５０と、下の部屋の天上３６０との空間に、平面振動板２２０を用いたスピーカ部を設けた構成を示している。この図からわかるように、上の階の床３５０から支柱３１２，３１４等で保持されている、ボイスコイル等を組み込んだ４つの駆動部３２０，３３０等により、平面振動板２２０を支えている。なお、平面振動板の中央付近には、上の階からの騒音を検出するマイク２３０を設けている。なお、マイク２３０は、振動板２２０とは接触しないように設けられている。
図７−２（ａ）には、駆動部３２０が示されている。駆動部３２０には、２つのボイスコイル３２４，３２５が組み込まれている。平面振動板２２０は、２つのボイスコイル３２４，３２５に挟まれており、この２つのボイスコイルにより駆動される。２つのボイスコイル３２４，３２５は、床３５０から支柱３１２で支えられた枠３２２に設置されている。さらに枠３２２には、ボイスコイルの近傍に距離センサ３２３が設置されており、平面振動板２２０との距離を測定している。
平面振動板２２０は、このように上の部屋の床から設置されている４つの駆動部のみにより支えられている。
図７−２（ｂ）に示すように、ボイスコイル３２４，３２５には、同じ信号をそれぞれ逆に入力して、プッシュプルで平面振動板２２０を駆動している。このような構成にすることにより、平面振動板２２０を上下に挟んで支持するとともに、１つのボイスコイルより強力に平面振動板２２０を駆動することができる。
このように、平面振動板のアクティブ消音装置を、マンションの上の階の床と下の階の天井との間の空間に設けることにより、上の階の床衝撃音を消音することができる。

アクティブ消音装置の概略構成を示す図である。 図１−１に示した消音装置の構成例を示す図である。 平面スピーカの応答特性を示す図である。（ａ）入力信号，（ｂ）スピーカの動作 騒音が平面波の場合の消音を示す図である。 実施形態の概略構成を示す図である。（ａ）スピーカの構成、（ｂ）駆動回路の構成 実施形態の動作を説明するグラフである。（ａ）駆動信号，（ｂ）スピーカの動作、（ｃ）フィードバック・ループの周波数特性，（ｄ）フィードバック後の駆動信号 複数のボイスコイルで駆動される平面スピーカを用いた消音装置の構成である。（ａ）スピーカの構成、（ｂ）駆動回路の構成 マンション等の上階の床からの騒音を消音するための実施例の構成 図７−１の駆動部の詳細構成を示す図である。（ａ）スピーカを支持・駆動するための構成，（ｂ）２つのボイスコイルによる振動板駆動

Claims (3)

1. 騒音を入力するマイクと、
   騒音を消音する音を発生するスピーカと、
   前記マイクからの騒音信号から、騒音信号と逆位相の信号を生成する逆位相信号生成部と、
   前記スピーカの振動板の動きを表す信号を発生する距離センサと、
   前記逆位相信号生成部からの逆位相信号に対して、該距離センサからの信号によりフィードバック制御して、前記スピーカを駆動するフィードバック制御部と
   を備えることを特徴とするアクティブ消音装置。
2. 騒音を入力する少なくとも１つのマイクと、
   ｎ個（ｎ：２以上の自然数）のボイスコイルで駆動されている、平面の振動板を有する平面スピーカと、
   前記マイクからの騒音信号から、騒音信号と逆位相の信号を生成する逆位相信号生成部と、
   各ボイスコイルの近傍に設けられているｎ個の距離センサと、
   前記逆位相信号生成部からの逆位相信号に対して、該ｎ個の距離センサからのそれぞれの信号によりフィードバック制御して、各距離センサの近傍にあるそれぞれのボイスコイルを駆動するｎ組のフィードバック制御部と
   を備えることを特徴とするアクティブ消音装置。
3. 請求項１又は２に記載のアクティブ消音装置において、
   前記フィードバック制御部は、前記距離センサからの信号と前記逆位相信号生成部からの逆位相信号との差信号により、ＰＩＤ制御を行っている
   ことを特徴とするアクティブ消音装置。

Images