JP2014059487A - 能動消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音を効率的に低減させる能動消音装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る音源から発せられた制御対象音を低減させる能動消音装置は、参照信号生成部、第１のフィルタ処理部、平均化部、制御スピーカ、誤差マイク、及びフィルタ更新部を備える。参照信号生成部は、前記制御対象音に基づいて異なる複数の参照信号を生成する。第１のフィルタ処理部は、前記複数の参照信号それぞれを第１デジタルフィルタでフィルタ処理して複数の第１制御信号を生成する。平均化部は、前記複数の第１制御信号を平均化して第２制御信号を生成する。制御スピーカは、前記第２制御信号を制御音として出力する。誤差マイクは、前記制御対象音及び前記制御音の合成音圧を検出し、当該検出した合成音圧を示す誤差信号を生成する。フィルタ更新部は、前記誤差信号を最小にするように前記第１デジタルフィルタを更新する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、能動消音装置に関する。

アクティブノイズコントロール（ＡＮＣ：active noise control）の基本手法として、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−ｘと呼ばれる手法が知られている。しかしながら、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−ｘは、制御スピーカと誤差マイクとの間の空間特性を事前に同定（二次経路同定）する必要があり、環境特性が変化する場合や装置を固定できない状況では、利用することができない。

また、直接法と呼ばれる二次経路同定を事前に行う必要がないＡＮＣ手法がある。しかしながら、直接法では、騒音発生時など参照信号が急激に変化する場合に、制御スピーカへの入力が過渡的に増加して騒音が逆に増大するといったように制御が不安定になることがある。一方、このような入力の増加を防止するために適用フィルタの係数更新量を制御するパラメータ（ステップサイズ）を調整すると、適用フィルタの収束に多くの時間を要するようになる。

Y. Ohta et al. "Direct Fully Adaptive Noise Control Algorithms without Identification of Secondary Path Dynamics" Proc. of the IEEE, pp. 453-458 (2002)

上述したように、制御の安定性と適用フィルタの収束速度はトレードオフの関係にある。そのため、騒音低減の効率を向上させることは困難である。従って、能動消音装置においては、騒音を効率的に低減できることが求められている。

本発明が解決しようとする課題は、騒音を効率的に低減させることができる能動消音装置を提供することである。

一実施形態に係る音源から発せられた制御対象音を低減させる能動消音装置は、参照信号生成部、第１のフィルタ処理部、平均化部、制御スピーカ、誤差マイク、及びフィルタ更新部を備える。参照信号生成部は、前記制御対象音に基づいて異なる複数の参照信号を生成する。第１のフィルタ処理部は、前記複数の参照信号それぞれを第１デジタルフィルタでフィルタ処理して複数の第１制御信号を生成する。平均化部は、前記複数の第１制御信号を平均化して第２制御信号を生成する。制御スピーカは、前記第２制御信号を制御音として出力する。誤差マイクは、前記制御対象音及び前記制御音の合成音圧を検出し、当該検出した合成音圧を示す誤差信号を生成する。フィルタ更新部は、前記誤差信号を最小にするように前記第１デジタルフィルタを更新する。

第１の実施形態に係る能動消音装置を概略的に示すブロック図。 第１の実施形態に係るアクティブノイズコントロール手法を説明する図。 図１の能動消音装置のシステム構成の一例を概略的に示すブロック図。 第２の実施形態に係る能動消音装置のシステム構成の一例を概略的に示すブロック図。 （ａ）は第２の実施形態に係る参照信号生成部の一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の参照信号生成部によって仮想的に生成される参照マイクを示す図である。 （ａ）は第２の実施形態に係る参照信号生成部の他の例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の参照信号生成部によって仮想的に生成される参照マイクを示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は実施形態に係るＡＮＣ手法の制御効果を検証するための実験設計を概略的に示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ実験から得られたデジタルフィルタＣ、Ｄ、Ｋの収束性を示すグラフ。 （ａ）は本実施形態に係るＡＮＣ手法を用いた場合に得られる誤差信号の信号レベルの時系列データを示すグラフであり、（ｂ）は直接法を用いた場合に得られる誤差信号の信号レベルの時系列データを示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は異なる時間帯での実施形態に係るＡＮＣ手法と直接法との制御効果の比較を示すグラフ。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、実施形態に係る能動消音装置を説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る能動消音装置１００を概略的に示している。この能動消音装置１００は、図１に示されるように、参照信号生成部１１０、フィルタ処理部１２０、平均化部１３０、制御スピーカ１４０、誤差マイク（エラーマイクともいう）１５０、及びフィルタ更新部１６０を備える。

参照信号生成部１１０は、騒音源１９０から発せられた騒音に基づいて異なる複数の（ｎ個の）参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎを生成する。ここで、ｎは２以上の整数である。本実施形態では、参照信号生成部１１０は、異なる位置に配置される複数の（ｎ個の）参照マイク１１２−１〜１１２−ｎを含み、これら複数の参照マイク１１２−１〜１１２−ｎはそれぞれ、騒音源１９０からの騒音の音圧を検出して検出信号を参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎとして出力する。

フィルタ処理部１２０は、デジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎで参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎをフィルタ処理して第１制御信号ｕ_１〜ｕ_ｎを生成する。デジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎは、複数の参照マイク１１２−１〜１１２−ｎそれぞれに対応して設けられる。例えば、デジタルフィルタＣ_ｉは、参照マイク１１２−ｉで取得される参照信号ｒ_ｉから第１制御信号ｕ_ｉを生成するために使用される。ここで、ｉは、１≦ｉ≦ｎを満たす整数である。平均化部１３０は、第１制御信号ｕ_１〜ｕ_ｎを算術平均化して第２制御信号（制御入力ともいう）ｕを生成する。具体的には、平均化部１３０は、第１制御信号ｕ_１〜ｕ_ｎを加算する加算器１３２、及び加算器１３２の出力信号に１／ｎを乗算する乗算器１３４を含む。

制御スピーカ１４０は、第２制御信号ｕを音に変換する。制御スピーカ１４０が発する音を制御音と呼ぶ。誤差マイク１５０は、騒音源１９０からの騒音と制御スピーカ１４０からの制御音との合成音圧を検出し、検出した合成音圧を示す誤差信号ｅ_ｃを生成する。フィルタ更新部１６０は、誤差信号ｅ_ｃを最小にするように、デジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎを更新する。

本実施形態の能動消音装置１００は、誤差マイク１５０の設置位置において騒音源１９０からの騒音の音圧を最小にするために、騒音源１９０からの騒音を制御スピーカ１４０からの制御音で制御している。騒音源１９０が発する騒音のようなある音源から発せられる制御すべき音を制御対象音とも称する。

次に、図１及び図２を参照して、フィルタ更新部１６０がデジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎを更新する処理を説明する。
フィルタ更新部１６０は、図２に示すように、デジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎ、Ｋ_１〜Ｋ_ｎ、Ｄ_１〜Ｄ_ｎ、参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎ、制御信号ｕ、及び誤差信号ｅ_ｃに基づいて２ｎ個の仮想誤差信号ｅ_１１〜ｅ_１ｎ、ｅ_２１〜ｅ_２ｎを生成する。デジタルフィルタＫ_１〜Ｋ_ｎは、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎそれぞれに対応して設けられ、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎそれぞれについて、制御スピーカ１４０と誤差マイク１５０との間の空間特性を同定する。デジタルフィルタＤ_１〜Ｄ_ｎは、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎそれぞれに対応して設けられ、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎそれぞれと誤差マイク１５０との間の空間特性を同定する。例えば、仮想誤差信号ｅ_１ｉ、ｅ_２ｉは、デジタルフィルタＣ_ｉ、Ｋ_ｉ、Ｄ_ｉ、参照信号ｒ_ｉ、制御信号ｕ、及び誤差信号ｅ_ｃに基づいて算出される。フィルタ更新部１６０は、後述するように、仮想誤差信号ｅ_１１〜ｅ_１ｎ、ｅ_２１〜ｅ_２ｎを最小にし、且つ、デジタルフィルタＫ_１〜Ｋ_ｎを同一のデジタルフィルタに収束させるように、デジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎ、Ｋ_１〜Ｋ_ｎ、Ｄ_１〜Ｄ_ｎ（具体的にはデジタルフィルタＣ_１〜Ｃ_ｎ、Ｋ_１〜Ｋ_ｎ、Ｄ_１〜Ｄ_ｎのフィルタ係数）を更新する。これにより、誤差信号ｅ_ｃの最小化を達成することができる。

まず、各種信号及び伝達関数を定義する。騒音源１９０が発する騒音をｓ（ｋ）とし、参照マイク１１２−ｉで取得される参照信号をｒ_ｉ（ｋ）とし、誤差マイク１５０で取得される誤差信号をｅ_ｃ（ｋ）とする。ここで、ｋは時間を表す。さらに、騒音源１９０から参照マイク１１２−ｉまでの伝達関数をＧ_２ｉ（ｚ）とし、制御スピーカ１４０から誤差マイク１５０までの伝達関数をＧ_４（ｚ）とし、騒音源１９０から誤差マイク１５０までの伝達関数をＧ_１（ｚ）とする。参照マイク１１２−ｉに対応する適応フィルタをＣ_ｉ（ｚ，ｋ）、Ｋ_ｉ（ｚ，ｋ）、Ｄ_ｉ（ｚ，ｋ）とし、そのＦＩＲ（finite impulse response）表現をθ_Ｃｉ、θ_Ｋｉ、θ_Ｄｉとする。さらに、参照マイク１１２−ｉに対応する仮想誤差信号をｅ_１ｉ（ｋ）、ｅ_２ｉ（ｋ）とする。参照信号ｒ_ｉ（ｋ）をフィルタＣ_ｉ（ｚ，ｋ）でフィルタ処理して得られる第１制御信号をｕ_ｉ（ｋ）とする。第１制御信号ｕ_１（ｋ）〜ｕ_ｎ（ｋ）を平均化することで得られる第２制御信号をｕ（ｋ）とする。さらに、参照信号ｒ_ｉ（ｋ）をフィルタＫ_ｉ（ｚ，ｋ）でフィルタ処理して得られる補助信号をｘ_ｉ（ｋ）とする。補助信号ｘ_ｉ（ｋ）及び参照信号ｒ_ｉ（ｋ）の時系列ベクトルをそれぞれφ_ｉ（ｋ）、ξ_ｉ（ｋ）とする。さらに、第２制御信号ｕ（ｋ）の時系列ベクトルをζ（ｋ）とする。

複数の参照マイクを利用する利点について説明する。直接法では、１つの参照マイクで取得される参照信号及び１つの誤差マイクで取得される誤差信号に基づいて二次経路（具体的には制御スピーカから誤差マイクまでの経路の伝達特性）を推定している。しかしながら、騒音発生初期のように参照信号が急激に変化する過渡期には、参照信号及び誤差信号から得られる情報量が少なく、誤差信号をゼロにするフィルタθ_Ｄ、θ_Ｋ、θ_Ｃの組み合わせは多数存在する。このことは、過渡期における二次経路の推定誤りを引き起こす。その結果、制御スピーカへの入力（制御入力）が過渡的に増加することで騒音が増大するなど制御が不安定になる。一方、制御入力の増加を抑えるためにステップサイズを小さくすると、適応フィルタの収束速度が遅くなる。

本実施形態に係る複数の参照マイクを使用するＡＮＣ（active noise control）手法では、複数の参照マイクから複数の参照信号が得られるので、過渡期において情報量が増大する。それにより、誤差信号をゼロにするフィルタθ_Ｄ、θ_Ｋ、θ_Ｃの組み合わせが減るので、二次経路の推定誤りが直接法に比べて減少する。即ち、二次経路の推定精度が向上する。また、二次経路の推定精度が向上するので、制御が安定し、それによりステップサイズを大きくすることができる。この結果、適応フィルタの収束速度を向上させ（即ち、制御効果の速さを高め）、且つ、制御の安定性を増すことができる。

次に、本実施形態に係るＡＮＣ手法を具体的に説明する。本実施形態に係るＡＮＣ手法で使用する適応フィルタの更新則は、参照マイク１１２−ｉに関して下記式（１）、（２）、（３）で表される。

ここで、式（２）の第３項は、他の参照マイクと協調して更新する項であり、コンセンサス項と称する。αはコンセンサス項に対する重みである。重みαは、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎ間での協調動作（相互作用）の強さを調整するためのパラメータである。

本実施形態に係るＡＮＣ手法で使用する更新則は、直接法の更新則にコンセンサス項を追加したものに一致する。比較として、直接法の更新則を式（４）、（５）、（６）として示す。直接法では、最急降下法を基本とした更新則であるＬＭＳ（Least Mean Square）と呼ばれる更新則を利用する。

単純に直接法の更新則を本実施形態の能動消音装置１００に適用した場合、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎごとに二次経路の同定結果が異なるものになる。その結果、二次経路同定の精度の向上は達成されない。さらに、更新則の収束条件も満たさなくなる。本実施形態に係るＡＮＣ手法では、コンセンサス項を追加した更新則を用いることで、二次経路の同定結果が同じになる。

次に、本実施形態の更新則（式（１）、（２）、（３））を用いた場合の収束性について説明する。
図２を参照すると、参照マイク１１２−ｉに対応する２つの仮想誤差信号ｅ_１ｉ（ｋ）、ｅ_２ｉ（ｋ）は、下記式（７）、（８）のように表される。

式（８）中の補助信号ｘ_ｉ（ｋ）は下記式（９）のように表される。

ここで、ｌ_ｋは数ステップ前のフィルタＫｉを用いることを意味する。

参照マイク１１２−ｉに関連する仮想誤差信号ｅ_１ｉ（ｋ）と仮想誤差信号ｅ_２ｉ（ｋ）の和は、式（７）、（８）、（９）から下記式（１０）のように導出される。

ここで、制御スピーカ１４０に供給される第２制御信号ｕ（ｋ）は、下記式（１１）のように表される。式（１１）のｌ_ｃは数ステップ前のフィルタＣ_ｉを用いることを意味する。

全ての参照マイク１１２−１〜１１２−ｎについての仮想誤差信号の和は、下記式（１２）のように表される。

ここで、二次経路の推定結果が各参照マイクで一致すると仮定すると、即ち、下記式（１３）を満たすと仮定すると、式（１２）は下記式（１４）のように変形される。

式（１４）からは、次の３つの条件が満たされるように適応フィルタを更新することで、誤差信号ｅ_ｃがゼロに収束することが分かる。

第１の条件は、参照マイク１１２−ｉに対応する仮想誤差信号ｅ_１ｉ、ｅ_２ｉがゼロに収束することである。
第２の条件は、フィルタＫ_ｉ、Ｃ_ｉが収束することである。
第３の条件は、式（１３）が満たされることである。

本実施形態に係るＡＮＣ手法は、直接法の収束条件に第３の条件を追加したものに相当する。第３の条件は、二次経路が全ての参照マイク１１２−１〜１１２−Ｎにとって等しいことを意味する。本実施形態では、図１に示されるように、制御スピーカから誤差マイクまでの経路の伝達特性は全ての参照マイク１１２−１〜１１２−Ｎに関して等しいので、上記第３の条件は、システム構成上合理的な条件である。

第１及び第２の条件は、直接法のように、ＬＭＳベースの更新則（式（４）、（５）、（６））を使用すれば満たされる。しかしながら、単純にＬＭＳベースの更新則を使用した場合、第３の条件は満たされない。本実施形態では、第３の条件を満たすようにするために、式（２）に示されるように、フィルタＫ_ｉ（ｚ，ｋ）の更新則にコンセンサス項を追加している。この方法は、勾配項（式（２）の第２項）のみでは、各参照マイクに関する評価関数を下げる方向に進むが、コンセンサス項を追加することにより、各参照マイクに関する評価関数を下げつつ他の参照マイクと協調する方向に進む更新となる。それにより、最終的には第３の条件が満たされる。参照マイク１１２−ｉに関する評価関数Ｊ_ｉは、参照マイク１１２−ｉに対応する仮想誤差信号ｅ_１ｉ、ｅ_２ｉに関連し、例えば下記式（１５）のように定義される。

式（２）中の重みαは、上述したように、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎ間での協調動作の強さを調整するためのパラメータである。式（２）において重みαを大きくする場合、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎ間での協調動作の強さが増す。これは、デジタルフィルタＫ_１〜Ｋ_ｎを同一のデジタルフィルタに収束させる度合いを増して、式（１５）に示されるような各参照マイクに関する評価関数を最小化する度合いを弱めることに一致する。反対に、重みαを小さくする場合、即ち、参照マイク１１２−１〜１１２−ｎ間での協調動作の強さを弱める場合、デジタルフィルタＫ_１〜Ｋ_ｎを同一のデジタルフィルタに収束させる度合いが弱まり、各参照マイクに関する評価関数を最小化する度合いが増す。従って、重みαを変更することで、各参照マイクに関する評価関数を最小化する度合いとデジタルフィルタＫ_１〜Ｋ_ｎを同一のデジタルフィルタに収束させる度合いの優先度を調整することが可能である。

フィルタ更新部１６０は、騒音制御中に重みαを調整することができる。一例では、フィルタ更新部１６０は、騒音発生初期には、各参照マイクは初期フィルタの情報のみしか保持しないため、フィルタ更新を積極的に行う必要があるので、αの値をある程度小さくする（例えば０．５にする）。更新がある程度進んだ後は、他の参照マイクと積極的に協調をとるためにαの値を徐々に１まで増加させる。他の例では、重みαは固定値であり得る。

フィルタＣ_ｉの更新則を式（３）から下記式（１６）に変更すると、過渡期における制御入力の増加をより抑えることができる。フィルタＣ_ｉの更新則を式（１６）に変更すると、ＬＭＳにおける評価関数は、下記式（１７）から下記式（１８）に変わる。このようにすると、各参照マイクから出力される第１制御信号ｕ_ｉ（ｋ）が制御スピーカへ供給される第２制御信号（制御入力）ｕ（ｋ）から極端に離れることがなくなり、過渡期の制御入力の増加を抑えることができる。α_２は、第１制御信号ｕ_ｉ（ｋ）と第２制御信号ｕ（ｋ）の差を調整するための重みパラメータである。具体的には、重みα_２を大きくすると、フィルタ更新部１６０は、第１制御信号ｕ_ｉ（ｋ）と第２制御信号ｕ（ｋ）の差が小さくなるように、適用フィルタＣ_ｉを更新することになる。

以上説明したように、本実施形態に係るＡＮＣ手法では、複数の参照マイクを使用することにより、得られる情報量が増大する。情報量の増大に加えて、同定すべき二次経路（Ｇ_４）が複数の参照マイクに関して同一であることから、二次経路の同定の精度を向上することができる。さらに、各参照マイクで取得される参照信号には一般に観測ノイズが含まれるが、複数の参照マイク間での協調動作（式（２）のコンセンサス項）によって観測ノイズの影響が抑制される。また、直接法を用いたＡＮＣ手法では、参照マイクの配置によって制御効果が変動することが知られているが、本実施形態に係るＡＮＣ手法では、協調動作によって、複数の参照マイクの中で最良の配置の参照マイクに対応した制御効果を得ることができる。さらにまた、二次経路が精度よく同定されることにより、ＡＮＣを行うに当たり必要となる他の経路特性（Ｇ_１／Ｇ_２、Ｇ_１／（Ｇ_２Ｇ_４））をより正確な情報を用いて同定することが可能となり、システム全体として適応フィルタの収束が速まる。即ち、制御効果がより速まる。

図３は、図１の能動消音装置１００を実現するシステム構成を例示している。図３に示されるように、能動消音装置１００は、ｎ個の参照マイク１１２−１〜１１２−ｎを備える。参照マイク１１２−１〜１１２−ｎで取得された参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎは、フィルタ３０１を通過し、アナログデジタル変換器３０２でデジタル信号に変換される。フィルタ３０１は、アンチエイリアス対策及び制御帯域の調整のために設置される。コントローラ３０３の制御信号演算周期をｔ［ｓ］とすると、エイリアスを引き起こさないためには、コントローラ３０３へ供給される信号は、１／（２ｔ）［Ｈｚ］以下でなくてはならない。フィルタ３０１は、ローパスフィルタとして機能する。

デジタル信号に変換された参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎは、コントローラ３０３へ供給される。コントローラ３０３は、図１に示したフィルタ処理部１２０、平均化部１３０、フィルタ更新部１６０を実現するものであり、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、集積回路、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などで実現することができる。

コントローラ３０３で生成された制御信号ｕは、デジタルアナログ変換器３０４でアナログ信号に変換されてフィルタ３０５を通過し、制御スピーカ１４０へ供給される。フィルタ３０５は、制御スピーカ１４０の保護のために設けられる。出力可能な周波数帯域はスピーカごとに決まっており、それ以外の周波数の信号を入力するとスピーカが破損する虞がある。フィルタ３０５は、制御スピーカ１４０の破損を防ぐために、制御信号ｕから制御スピーカ１４０で出力不可能な信号成分を除去する。

誤差マイク１５０で取得された誤差信号ｅ_ｃは、フィルタ３０６を通過し、アナログデジタル変換器３０７でデジタル信号に変換される。フィルタ３０６は、フィルタ３０１と同様に、アンチエイリアス対策及び制御帯域の調整のために設置される。フィルタ３０６は、同定理論でいわれるプレフィルタの役目を果たすために制御帯域を調整することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る能動消音装置によれば、騒音（制御対象音）に基づく参照信号を生成する参照マイクを複数備えることにより、得られる情報が増大し、二次経路を精度よく同定することが可能になる。さらに、二次経路が精度よく同定されることにより、適応フィルタの収束が速まる。即ち、騒音を効率的に低減させることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、複数の参照マイクを利用しているのに対し、第２の実施形態では、１つの参照マイクを利用する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、重複する説明を適宜省略する。

図４は、第２の実施形態に係る能動消音装置４００のシステム構成を概略的に示している。能動消音装置４００は、図４に示されるように、騒音源１９０から発せられた騒音の音圧を検出して検出信号を出力する１つの参照マイク４１２を備える。図４の能動消音装置４００は、参照信号生成部を除いて、第１の実施形態に係る能動消音装置１００（図１及び図３に示される。）と同様の構成を持つ。

図５（ａ）は、本実施形態に係る参照信号生成部の一例５１０を示し、図５（ｂ）は、この参照信号生成部５１０によって生成される複数の仮想参照マイク５１２−１〜５１２−ｎを示している。参照信号生成部５１０は、図５（ａ）に示されるように、１つの参照マイク４１２、及びこの参照マイク４１２が出力する検出信号に空間特性フィルタＨ_１〜Ｈ_ｎを畳み込むことで異なる複数の参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎを生成するフィルタ処理部５１４を備える。ここで、ｎは２以上の整数である。フィルタ処理部５１４は、図５（ｂ）に示されるように、異なる位置に配置される複数の参照マイク５１２−１〜５１２−ｎを仮想的に生成する。空間特性フィルタＨ_１〜Ｈ_ｎはそれぞれ、参照マイク４１２から仮想参照マイク５１２−１〜５１２−ｎまでの空間特性を示す。参照信号生成部５１０は、１つの参照マイク４１２で取得された検出信号から異なる複数の参照信号を生成することで、複数の参照マイクを備える参照信号生成部（例えば図１の参照信号生成部１１０）と同様の機能を実現することができる。

図６（ａ）は、本実施形態に係る参照信号生成部の他の例６１０を示し、図６（ｂ）は、この参照信号生成部６１０によって生成される複数の仮想参照マイク６１２−１〜６１２−ｎを示している。参照信号生成部６１０は、図６（ａ）に示されるように、１つの参照マイク４１２、及びこの参照マイク４１２が出力する検出信号を遅延フィルタＨ_１〜Ｈ_ｎでフィルタ処理することにより異なる複数の参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎを生成するフィルタ処理部６１４を備える。参照信号ｒ_１〜ｒ_ｎは、参照マイクの検出信号を異なる遅延時間だけ遅延させたものである。例えば、フィルタ処理部６１４は、図６（ｂ）に示されるように、騒音の伝播方向に沿って一列に配置される複数の参照マイク６１２−１〜６１２−ｎを仮想的に生成する。参照信号生成部６１０もまた複数の参照マイクを備える参照信号生成部と同様の機能を実現することができる。

なお、フィルタ処理部５１４又はフィルタ処理部６１４で生成される参照信号のうちの１つ（例えば参照信号ｒ_１）は、参照マイク４１２で取得される検出信号そのものであってもよい。即ち、実際に配置される参照マイク４１２と仮想的に生成される参照マイクとによって参照信号生成部が構成される。フィルタ処理部５１４及びフィルタ処理部６１４は、例えば、コントローラ３０３で実現することができる。

以上のように、第２の実施形態に係る能動消音装置によれば、１つの参照マイクで取得された参照信号から異なる複数の参照信号を生成することにより、複数の参照マイクを備える第１の実施形態と同様の効果を達成することができる。

次に、発明者らは、以下の実験を実施して、上述した実施形態の効果を検証している。図７（ａ）及び（ｂ）は実施形態に係るＡＮＣ手法の制御効果を検証するための実験設計を示す。図７（ａ）に示されるように、ダクト７００の閉口端７０２に騒音を発生させる騒音スピーカ（騒音源）７０４が配置され、その開口端７０６に制御スピーカ７０８が配置される。ダクト７００は略円筒形状であって、その長さは３ｍである。誤差マイク７１０は開口端７０６からの距離が０．８ｍ、床からの高さが０．６ｍの位置に配置される。実験では、制御スピーカ７０８から参照マイクへの回り込みの影響や騒音源７０４から参照マイクまでの空間コヒーレンスの影響を排除するために、騒音スピーカ７０４へ供給する騒音信号を参照信号として用いる。また、第２の実施形態で説明した方法で２つの参照マイクを仮想的に設置し、これら仮想の参照マイクが出力する参照信号はそれぞれ、元の参照信号より６タップ、１２タップだけ時間遅延しているとする。即ち、本実験で使用する参照信号の数は３つである。

図７（ａ）、（ｂ）に示される実験を実施した結果を図８から図１０に示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ適応フィルタＣ_ｉ、Ｄ_ｉ、Ｋ_ｉの形状を示す。ここで、ｉ＝｛１，２，３｝である。図８（ａ）、（ｂ）では、明確に示すために一部を抜き出し示している。図８（ａ）からは、適応フィルタＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３の間では仮想的に設定したタップ間隔のずれが生じていることがわかり、図８（ｂ）からは、適応フィルタＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３の間では仮想的に設定したタップ間隔のずれが生じていることがわかる。また、図８（ｃ）からは、適用フィルタＫ_１、Ｋ_２、Ｋ_３は一致していることがわかる。このことから、式（２）におけるコンセンサス項がうまく動作していることがわかる。

図９（ａ）は本実施形態に係るＡＮＣ手法を用いた場合に得られる誤差信号の信号レベルの時系列データを示し、図９（ｂ）は直接法を用いた場合に得られる誤差信号の信号レベルの時系列データを示している。ただし、この信号レベルは、音圧ではなく騒音計の電圧出力値である。図９（ａ）、（ｂ）からは、本実施形態に係るＡＮＣ手法の方がより速く収束していることがわかる。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、６〜１０秒、１０〜１４秒、２０〜２４秒の区間における１／３オクターブでの制御効果を示している。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、ＡＮＣを行わない場合の騒音の音圧レベルを破線で示し、直接法を用いた場合の音圧レベルを一点鎖線で示し、本実施形態に係るＡＮＣ手法を用いた場合の音圧レベルを実線で示している。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）からは、本実施形態に係るＡＮＣ手法では、直接法より早い段階から制御効果が現れ、最終的に直接法と同等の制御効果が得られることがわかる。なお、５００Ｈｚ以上の帯域で制御効果が生じていないのは、誤差信号に５００Ｈｚのローパスフィルタを通しているためである。この実験結果から本実施形態に係るＡＮＣ手法が直接法より効率よく騒音を低減していることが理解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…能動消音装置、１１０…参照信号生成部、１１２−１〜１１２−ｎ…参照マイク、１２０…フィルタ処理部、１３０…平均化部、１３２…加算器、１３４…乗算器、１４０…制御スピーカ、１５０…誤差マイク、１６０…フィルタ更新部、１９０…騒音源、３０１…フィルタ、３０２…アナログデジタル変換器、３０３…コントローラ、３０４…デジタルアナログ変換器、３０５…フィルタ、３０６…フィルタ、３０７…アナログデジタル変換器、４００…能動消音装置、４１２…参照マイク、５１０…参照信号生成部、５１２−１〜５１２−ｎ…仮想参照マイク、５１４…フィルタ処理部、６１０…参照信号生成部、６１２−１〜６１２−ｎ…仮想参照マイク、６１４…フィルタ処理部。

Claims (8)

1. 音源から発せられた制御対象音を低減させる能動消音装置であって、
   前記制御対象音に基づいて異なる複数の参照信号を生成する参照信号生成部と、
   前記複数の参照信号それぞれを第１デジタルフィルタでフィルタ処理して複数の第１制御信号を生成する第１のフィルタ処理部と、
   前記複数の第１制御信号を平均化して第２制御信号を生成する平均化部と、
   前記第２制御信号を制御音として出力する制御スピーカと、
   前記制御対象音及び前記制御音の合成音圧を検出し、当該検出した合成音圧を示す誤差信号を生成する誤差マイクと、
   前記誤差信号を最小にするように前記第１デジタルフィルタを更新するフィルタ更新部と、
   を具備する能動消音装置。
2. 前記参照信号生成部は、複数の参照マイクを含み、前記複数の参照マイクは、前記制御対象音の音圧を検出して複数の検出信号を前記複数の参照信号としてそれぞれ生成する、請求項１に記載の能動消音装置。
3. 前記複数の参照マイクそれぞれに対応し、前記制御スピーカと前記誤差マイクとの間の空間特性を同定する複数の第２デジタルフィルタと、
   前記複数の参照マイクそれぞれと前記誤差マイクとの間の空間特性を同定する第３デジタルフィルタと、をさらに具備し、
   前記フィルタ更新部は、前記第１デジタルフィルタ、前記複数の第２デジタルフィルタ、前記第３デジタルフィルタ、前記複数の参照信号、前記第２制御信号、及び前記誤差信号に基づいて、前記複数の参照マイクに対応する複数の仮想誤差信号を生成し、前記複数の仮想誤差信号を最小にし、且つ、前記複数の第２デジタルフィルタを同一のデジタルフィルタに収束させるように、前記第１デジタルフィルタ、前記複数の第２デジタルフィルタ、及び前記第３デジタルフィルタを更新する、請求項２に記載の能動消音装置。
4. 前記参照信号生成部は、前記制御対象音の音圧を検出して検出信号を出力する１つの参照マイクと、前記検出信号を異なる時間だけ遅延させる複数の遅延フィルタでフィルタ処理することにより前記複数の参照信号を生成する第２のフィルタ処理部と、を含む、請求項１に記載の能動消音装置。
5. 前記参照信号生成部は、前記制御対象音の音圧を検出して検出信号を出力する１つの参照マイクと、前記検出信号を複数の空間特性フィルタでフィルタ処理することにより前記複数の参照信号を生成する第２のフィルタ処理部と、を含む、請求項１に記載の能動消音装置。
6. 前記第２のフィルタ処理部によって仮想的に生成される複数の参照マイクそれぞれに対応し、前記制御スピーカと前記誤差マイクとの間の空間特性を同定する複数の第２デジタルフィルタと、
   前記複数の参照マイクそれぞれと前記誤差マイクとの間の空間特性を同定する第３デジタルフィルタと、をさらに具備し、
   前記フィルタ更新部は、前記第１デジタルフィルタ、前記複数の第２デジタルフィルタ、前記第３デジタルフィルタ、前記複数の参照信号、前記第２制御信号、及び前記誤差信号に基づいて、前記複数の参照マイクに対応する複数の仮想誤差信号を生成し、前記複数の仮想誤差信号を最小にし、且つ、前記複数の第２デジタルフィルタを同一のデジタルフィルタに収束させるように、前記第１デジタルフィルタ、前記複数の第２デジタルフィルタ、及び前記第３デジタルフィルタを更新する、請求項４又は請求項５に記載の能動消音装置。
7. 前記フィルタ更新部は、前記複数の参照マイクに対応する前記複数の仮想誤差信号を減少させる度合いと前記複数の第２デジタルフィルタを同一のデジタルフィルタに収束させる度合いの優先度を調整するためのパラメータを保持する更新則に基づいて前記複数の第２デジタルフィルタを更新する、請求項３又は６に記載の能動消音装置。
8. 前記フィルタ更新部は、前記複数の第１制御信号それぞれと前記第２制御信号の差を抑制するように、前記第１デジタルフィルタを更新する、請求項１に記載の能動消音装置。

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