JP2022172374A - 能動型騒音制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロードノイズなどのランダムノイズを効果的に消音することができ、車室内などでの使用に適した非密閉型の能動型騒音制御装置を提供する。【解決手段】非密閉型の騒音制御装置１０は、加算器１１と、スピーカ１２と、マイク１３と、シェルフフィルタ１４と、ローブーストフィルタ１５と、を備えるフィードバック回路として構成され、ローブーストフィルタ１５により、低域のゲイン不足を補うとともに、位相を遅らせることによって位相の進みを補正し、低域におけるキャンセル効果を確保する。【選択図】図６

Description

本発明は、能動型騒音制御技術に関する。

外部の騒音を、スピーカから出力する音で打ち消すことにより消音するアクティブノイズコントロール技術が知られている。例えば、特許文献１は、フィードフォワード方式のアクティブノイズコントロールにより車室内騒音を低減する、開放型の車室内騒音低減装置を記載している。また、特許文献２は、フィードバック方式によりスピーカからノイズキャンセル用の信号を出力することでノイズレベルを低減する、密閉型のヘッドホン用ノイズキャンセル装置を記載している。

特開平９－２８８４８９号公報 特開２００７－２５９２４６号公報

車室内においては、車のロードノイズなどのランダムノイズを消音することが求められる。特許文献１の手法は、フィードフォワード制御を行っているため、参照信号を必要とする。しかし、フィードフォワード制御では、参照信号とロードノイズなどのランダムノイズとの相関が低い、因果性を満たさないなどの理由から十分な消音効果を得ることが難しい。よって、ロードノイズを消音するためには、参照信号を必要としないフィードバック制御を行うことが望ましい。

この点、特許文献２の手法はフィードバック制御を行っているため、ランダムノイズの消音効果は高い。しかしながら、特許文献２の装置は密閉型のヘッドフォンタイプであるため耳への圧迫感があり、また、外部の音が聞こえなくなるため車室内の使用には適さない。

本発明が解決しようとする課題としては、上記のものが例として挙げられる。本発明は、ロードノイズなどのランダムノイズを効果的に消音することができ、車室内などでの使用に適した非密閉型の能動型騒音制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、非密閉型の構造を有し、フィードバック制御を行う能動型騒音制御装置において、ノイズを検出する検出手段と、検出されたノイズの信号の低周波帯域におけるゲインを増加させる補正手段と、補正されたノイズの信号に基づいて、前記ノイズを低減させるノイズ低減音を出力する出力手段と、を有することを特徴とする。

密閉型及び非密閉型の能動型騒音制御装置の構成を模式的に示す。 密閉型及び非密閉型の騒音制御装置による騒音のキャンセル効果を示す。 密閉型の騒音制御装置の構成、及び、シェルフフィルタの特性を示す。 密閉型及び単純開放型の騒音制御装置の特性を示す。 単純開放型の騒音制御装置の特性及び騒音のキャンセル効果を示す。 実施例に係る非密閉型の騒音制御装置の構成を示す。 ローブーストフィルタの特性を示す。

実施例に係る騒音制御装置の特性及び騒音のキャンセル効果を示す。 実施例に係る騒音制御装置による騒音制御処理のフローチャートである。 単純開放型及び非密閉型の騒音制御装置による騒音のキャンセル効果を示す。 実施例に係る騒音制御装置を車両に搭載した例を示す平面図である。 スピーカとマイクの配置例を示す。 実施例に係る騒音制御装置の変形例を示す。

本発明の好適な実施形態では、非密閉型の構造を有し、フィードバック制御を行う能動型騒音制御装置は、ノイズを検出する検出手段と、検出されたノイズの信号の低周波帯域における位相を遅延させる補正手段と、補正されたノイズの信号に基づいて、前記ノイズを低減させるノイズ低減音を出力する出力手段と、を有する。

上記の能動型騒音制御装置は、ノイズを検出し、検出されたノイズの信号の低周波帯域における位相を遅延させる。非密閉型の騒音制御装置では、低周波帯域におけるノイズの信号の位相が進む現象が起きるので、補正手段により位相を遅延させて相殺する補正を行う。そして、位相が補正されたノイズの信号に基づいて、ノイズ低減音を出力することにより、ノイズを低減する。好適な例では、上記の能動型騒音制御装置は、車室内に備えられる。

上記の能動型騒音制御装置の一態様では、前記補正手段は、低周波帯域において、周波数が低くなるほど位相を遅延させつつ、ゲインを上げていく特性を有するフィルタで補正する。これにより、低周波帯域における位相を適切に補正することができる。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様では、前記出力手段はキャビネットを有するスピーカであり、前記スピーカが備えられるキャビネットの容量に応じて、騒音制御が可能な低周波帯域を変化させる。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様では、前記出力手段の振動板のサイズまたは重量に応じて、騒音制御が可能な低周波帯域を変化させる。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様では、前記検出手段と前記出力手段とが設置される距離は、可能な限り近くすることが好ましい。これにより、ノイズ低減効果が得られる制御帯域を広げることが可能となる。好適には、前記検出手段と前記出力手段とが設置される距離は、前記出力手段の振動板の最大振幅時に前記検出手段が前記出力手段に接触しない範囲で最小とする。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様では、前記検出手段の指向特性のゲインが高い方向が、前記出力手段の方向に向いている。これにより、ノイズ低減効果が得られる制御帯域を広げることができる。

好適な例では、前記検出手段と前記出力手段は、ユーザの左右の耳の位置にそれぞれ１つずつ設置される。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様は、前記出力手段と前記検出手段の距離を保った状態で、聞き手の状態に応じた位置に三次元的に配置することを可能とする。これにより、ユーザの状態に応じて能動型騒音制御装置の位置が変化した場合でも、出力手段と検出手段の距離を保ち、ノイズ低減効果を維持することができる。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様は、前記出力手段と保護材との間に前記検出手段が設けられる。これにより、ユーザの耳などが検出手段に直接接触することが防止できる。

上記の能動型騒音制御装置の他の一態様は、一部密閉型の構造を有する。これにより、ノイズの信号の低周波帯域における位相の進みを抑制することができ、ノイズ低減効果が得られる制御帯域を広げることができる。

本発明の他の好適な実施形態は、非密閉型の構造を有し、フィードバック制御を行う能動型騒音制御装置によって実行される能動型騒音制御方法であって、ノイズを検出する検出工程と、検出されたノイズの信号の低周波帯域における位相を遅延させる補正工程と、補正されたノイズの信号に基づいて、前記ノイズを低減させるノイズ低減音を出力する出力工程と、を有する。この方法においても、非密閉型の構造に起因して低周波帯域でノイズの信号の位相が進む分を、補正手段により位相を遅延させて相殺する。そして、補正されたノイズの信号に基づいて、ノイズ低減音を出力することにより、ノイズを低減する。

本発明の他の好適な実施形態では、非密閉型の構造を有し、コンピュータを備え、フィードバック制御を行う能動型騒音制御装置によって実行されるプログラムは、ノイズを検出する検出手段、検出されたノイズの信号の低周波帯域における位相を遅延させる補正手段、補正されたノイズの信号に基づいて、前記ノイズを低減させるノイズ低減音を出力する出力手段、として前記コンピュータを機能させる。このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記の能動型騒音制御装置を実現することができる。このプログラムは、記憶媒体に記憶して取り扱うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［１］密閉型及び単純開放型の騒音制御装置
図１（Ａ）は、密閉型の能動型騒音制御装置（以下、単に「騒音制御装置」とも呼ぶ。）の構成を模式的に示す。密閉型の騒音制御装置３は、ヘッドホン型の筐体５を有し、ユーザ１の耳２を覆うように装着される。騒音制御装置３は、筐体５の内部にスピーカ、マイク、フィルタ部などの内部ユニット４が設けられる。内部ユニット４は、フィードバック方式のアクティブノイズコントロールを行うように構成される。しかし、このような密閉型の騒音制御装置３では、ユーザ１の耳２が筐体５により覆われるため、車室内で運転者などが装着するには適さない。

図１（Ｂ）は、非密閉型（開放型）の騒音制御装置の構成を模式的に示す。具体的に、図１（Ｂ）に示す非密閉型の騒音制御装置６は、図１（Ａ）に示す密閉型の騒音制御装置３の筐体５を除去し、内部ユニット４のみで構成したものである。なお、後述する実施例に係る非密閉型の騒音制御装置と区別するため、この非密閉型（開放型）の騒音制御装置を「単純開放型」の騒音制御装置６と呼ぶ。単純開放型の騒音制御装置６は、ユーザ１の耳２を覆う筐体が無いため、装着したユーザ１は外部の音を支障なく聞くことができ、車室内などでの使用に適している。

しかしながら、密閉型の騒音制御装置３から筐体５を除去して単純開放型の騒音制御装置６を構成した場合、低域で消音効果が低下してしまうという問題が、必ず発生することがわかった。図２は、密閉型及び単純開放型の騒音制御装置による騒音のキャンセル効果（単に「キャンセル効果」又は「消音効果」とも呼ぶ。）を示すグラフである。具体的に、図２（Ａ）は、図１（Ａ）に示す密閉型の騒音制御装置３によるキャンセル効果を示し、図２（Ｂ）は、図１（Ｂ）に示す単純開放型の騒音制御装置６によるキャンセル効果を示す。図２（Ａ）、２（Ｂ）において、横軸は周波数を示し、縦軸はキャンセル効果を示す。なお、キャンセル効果は図中の下に行くほど大きく、上に行くほど小さいものとする。即ち、縦軸の値がマイナスの場合は消音となり、プラスの場合は増音となる。

図２（Ａ）に示すように、密閉型の騒音制御装置３では、全帯域において騒音のキャンセル効果が得られている。これに対して、図２（Ｂ）に示すように、単純開放型の騒音制御装置６では、低域の破線７０で示す帯域において、騒音のキャンセル効果が低下し、増音している。この原因について説明する。

図３（Ａ）は、図１（Ａ）に示す密閉型の騒音制御装置３の回路構成を示す。密閉型の騒音制御装置３は、加算器１１と、スピーカ１２と、マイク１３と、シェルフフィルタ（Ｓｈｅｌｆ Ｆｉｌｔｅｒ）１４とを備えるフィードバック回路として構成される。なお、スピーカ１２からマイク１３までの伝達関数を「Ｃ」とする。また、矢印８０で示すスピーカ１２からシェルフフィルタ１４までの特性を「一巡伝達関数」と呼ぶ。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すシェルフフィルタ１４の周波数特性及び位相特性を示す。シェルフフィルタ１４は、破線９０に示すように高域でゲイン（パワー）を低下させるとともに、破線９１に示すように位相を０度（°）付近に維持して位相遅れを生じさせないようにする。

図４（Ａ）は、図３（Ａ）のように構成された密閉型の騒音制御装置３の周波数特性及び位相特性を示す。密閉型の騒音制御装置３の場合、周波数特性はほぼフラットであり、位相特性も低域から中域にわたって位相の変動がない。これにより、密閉型の騒音制御装置３では所望の消音効果が得られる。

一方、図３（Ａ）に示す回路構成のままで、密閉型の騒音制御装置３から筐体５を除去してなる単純開放型の騒音制御装置６を考える。単純開放型の騒音制御装置６の周波数特性及び位相特性は図４（Ｂ）のようになる。単純開放型の騒音制御装置６では、図４（Ｂ）の破線７１に示すように低域のゲインが低下し、これに伴って破線７２に示すように低域で位相が進む。これが原因で、図２（Ｂ）に示すように、単純開放型の騒音制御装置６では低域でキャンセル効果が低下する。

この点について詳しく説明する。図５は、単純開放型の騒音制御装置６の一巡伝達関数の周波数特性及び位相特性、並びに、キャンセル効果を示す。なお、一巡伝達特性は、図３（Ａ）の矢印８０で示すものである。また、キャンセル効果は、マイク１３の位置での音圧を示している。

フィードバック制御理論に基づけば、図３（Ａ）のフィードバック回路において騒音をキャンセルするための条件は、一巡伝達関数において、
（条件１）位相が±９０度以内であること、及び
（条件２）ゲインが大きいこと、
となる。条件１を満たさない場合は増音してしまう。また、条件１を満たさない場合、ゲインが大きいほど増音量は大きくなる。この点について検討すると、図５に示す一巡伝達関数の位相特性においては、破線７４で示すように、低域において位相が±９０度を超えてしまっており、条件１を満たさないため増音してしまう。また、周波数特性においては、破線７３で示すように、同じ帯域において条件１を満たさずゲインが０ｄＢ付近となっているために増音し発振に近い状態となっている（条件１を満たさずゲインが０ｄＢより大きくなると発振の危険性が高くなる。）その結果、キャンセル効果のグラフにおいて破線７５に示すように、低域でキャンセル効果がなく、１０ｄＢ程度増音してしまっている。

［２］実施例に係る非密閉型の騒音制御装置
（構成）
以上より、本実施例では、上記のキャンセル効果の低下を防止すべく、フィードバック制御回路にフィルタを追加する。図６は、実施例に係る非密閉型の騒音制御装置１０の構成を示す。なお、実施例に係る騒音制御装置１０を「非密閉型」と呼び、前述の単純開放型の騒音制御装置６と区別する。

非密閉型の騒音制御装置１０は、図３（Ａ）に示す密閉型の騒音制御装置３の構成に加えて、ローブーストフィルタ（Ｌｏｗ Ｂｏｏｓｔ Ｆｉｌｔｅｒ）１５を備える。図７（Ａ）は、ローブーストフィルタ１５の周波数特性及び位相特性を示す。周波数特性に示すように、ローブーストフィルタ１５は低域のゲインを増加させる。より具体的には、周波数が低くなるほど、ゲインを増大させる。また、位相特性の破線７６に示すように、ローブーストフィルタ１５は、位相を遅らせる。なお、図６において、シェルフフィルタ１４とローブーストフィルタ１５の位置を入れ替えても構わない。

なお、上記の構成において、スピーカは本発明の出力手段の一例であり、マイク１３は本発明の検出手段の一例であり、ローブーストフィルタ１５は本発明の補正手段の一例である。

図８は、非密閉型の騒音制御装置１０の一巡伝達関数の周波数特性及び位相特性、並びに、キャンセル効果を示す。なお、この一巡伝達関数は、図６における矢印８１で示されるものである。周波数特性においては、破線７７に示すように、低域でゲインが増大され、０ｄＢ以上となっている。これは、前述のように、ローブーストフィルタ１５が低域のゲインを増大させる特性を有するからである。また、位相特性においては、破線７８に示すように、低域で位相が補正され、位相が理想的な０度の状態となっている。これは、前述のように、ローブーストフィルタ１５が位相を遅らせる特性を有するからである。即ち、ローブーストフィルタ１５を挿入することにより、図５に示す単純開放型の騒音制御装置６の特性において、破線７３に示す周波数特性における低域のゲイン不足を補うとともに、位相を遅らせることによって破線７４に示す位相特性における位相の進みを相殺する。こうして、ローブーストフィルタ１５により、位相が±９０度以内となり、かつ、ゲインが０ｄＢ以上となるため、前述の条件１及び条件２が満足される。その結果、図８の破線７９に示すように、低域におけるキャンセル効果が確保される。

なお、ローブーストフィルタ１５は、例えば、図７（Ｂ）に示す１次フィルタを４個直列接続したフィルタとして構成される。この場合、ローブーストフィルタ１５の個数は、単純開放型の騒音制御装置６において発生する位相進みを相殺するために必要な位相遅れを実現するように決定される。

（動作）
次に、実施例に係る非密閉型の騒音制御装置１０の動作について説明する。図９は、騒音制御装置１０による騒音制御処理のフローチャートである。この処理は、図６に示す騒音制御装置１０の構成要素により実行される。

まず、マイク１３が周囲のノイズを集音する（ステップＳ１０）。集音された信号はローブーストフィルタ１５に供給され、ローブーストフィルタ１５は前述のように信号の低域の位相及びゲインを補正する（ステップＳ１１）。次に、シェルフフィルタ１４は、信号の高域のゲインを下げつつ、位相遅延を抑える（ステップＳ１２）。シェルフフィルタ１４の出力は加算器１１に入力され、加算器は目標値０との差分を演算することにより、ノイズと逆位相のキャンセル信号を生成してスピーカ１２に供給する。そして、スピーカ１２は、キャンセル信号に基づいて、ノイズと逆位相であるノイズ低減音（「キャンセル音」とも呼ぶ。）を出力する。これにより、ノイズがキャンセルされる。

なお、図６では、騒音制御装置１０の回路をアナログ回路として示しているが、これをデジタル回路として構成してもよい。具体的には、マイク１３の出力側にＡ／Ｄ変換器を設け、スピーカ１２の入力側にＤ／Ａ変換器を設け、加算器１１、シェルフフィルタ１４及びローブーストフィルタ１５をデジタル回路として構成する。また、スピーカ１２とマイク１３以外の部分をＤＳＰなどのコンピュータにより構成してもよい。

（騒音のキャンセル効果）
図１０（Ａ）は、ローブーストフィルタを有しない単純開放型の騒音制御装置６のキャンセル効果を示し、図１０（Ｂ）は、ローブーストフィルタを有する非密閉型の騒音制御装置１０のキャンセル効果を示す。図１０（Ａ）の破線８３に示すように、ローブーストフィルタを設けない場合には低域でキャンセル効果が低下し、増音している。これに対し、図１０（Ｂ）の破線８４に示すように、ローブーストフィルタを設けることにより低域のキャンセル効果が確保されている。

（設置例）
次に、実施例に係る非密閉型の騒音制御装置１０の設置例を説明する。図１１は、騒音制御装置１０を車両２０に搭載した例を示す。この例では、騒音制御装置１０は車両の運転席側に設置されている。具体的に、左右の一対のスピーカ１２及びマイク１３が運転席のシートに取り付けられている。例えば、スピーカ１２及びマイク１３は、運転席のシートのヘッドレストの左右に設けられる。これにより、スピーカ１２及びマイク１３は、運転席に座ったユーザの左右の耳の近傍に位置することになる。

また、騒音制御装置１０は、スピーカ２１に供給される信号を増幅するためのスピーカアンプ２１と、フィルタ部２２と、マイク１３の出力信号を増幅するマイクアンプ２３と、を備える。フィルタ部２２は、図６に示すフィードバック制御回路におけるシェルフフィルタ１４、ローブーストフィルタ１５、加算器１１などを含む。

車両を走行させるとロードノイズなどのランダムノイズが発生するが、このように非密閉型の騒音制御装置１０を車室内に設置することにより、運転者の耳元でロードノイズなどのランダムノイズをキャンセルし、運転者に聞こえなくすることができる。

スピーカ１２は、通常、キャビネットを有するスピーカ、いわゆる箱型スピーカとして構成される。この場合、スピーカを構成するキャビネットの容量（容積）を大きくすることにより、騒音制御装置１０によりキャンセル効果が得られる周波数帯域（以下、「制御帯域」と呼ぶ。）の低域側を広げることが可能となる。また、スピーカ１２に設けられる振動板を大きくする、又は、軽くすることによっても、制御帯域の低域側を広げることが可能となる。

次に、スピーカ１２とマイク１３との距離について説明する。スピーカ１２とマイク１３との距離が近いほど、一巡伝達関数の位相特性において、位相が回転し始める周波数を高域側に移動させることが可能となる。よって、スピーカ１２とマイク１３の距離を可能な限り近づけることにより、制御帯域を高域側に広げることができる。実際には、スピーカ１２の駆動時に振動板とマイク１３とが接触してはいけないので、スピーカ１２とマイク１３は、スピーカ１２の振動板の最大振幅時にスピーカ１２とマイクとが接触しない範囲で最小の距離に設置されることが好ましい。

実際の乗車時には、ユーザは座高の高さや耳の位置に合わせた角度などに応じて、シートやヘッドレストの位置を前後方向、左右方向及び上下方向に３次元的に調整する。このとき、騒音制御装置１０は、スピーカ１２とマイク１３の距離を維持したまま、ユーザの状態に応じた位置に３次元的に位置調整が可能なように構成されることが好ましい。即ち、スピーカ１２とマイク１３との距離を保ったまま、ユーザがシートやヘッドレストなどを３次元的に調整できるように、スピーカ１２及びマイク１３をシートやヘッドレストなどに取り付けることが好ましい。

次に、スピーカ１２とマイク１３の向きについて説明する。図１２（Ａ）は、ノイズとスピーカ１２の方向との関係の一例を示す。ノードノイズなどのノイズの波面Ｗ１が図１２（Ａ）に示すように移動する場合、スピーカ１２の前方の領域８５でノイズがキャンセルされる。この場合、スピーカ１２から出力されるキャンセル音の波面Ｗ２が、ノイズの波面Ｗ１の方向と一致する場合、消音制御空間を広くすることができる。

そこで、通常のマイク１３は指向特性を有するので、図１２（Ｂ）に示すように、マイク１３の指向特性のゲインが高い方向８６が、スピーカ１２の方向に向くように、スピーカ１２とマイク１３を相対的に配置する。その結果、マイクがスピーカの背後のノイズの音をより多く拾うことになり、消音制御空間を広くすることができる。

図１３（Ａ）は、騒音制御装置１０の変形例として、保護材を設けた騒音制御装置１０ａを模式的に示す。通常、スピーカ１２の振動板の前方には網状の保護材が設けられる。本例では、スピーカ１２の振動板の前方を覆う網状の保護材２５とスピーカ１２との間にマイク１３を配置する。即ち、スピーカ１２とマイク１３とが網状の保護材２５の内部に配置される。これにより、ユーザの耳などが直接的にマイク１３と接触することを防止できる。

図１３（Ｂ）は、騒音制御装置１０の他の変形例として、一部密閉型の騒音制御装置１０ｂを模式的に示す。この例では、騒音制御装置１０ｂは、上側が開放した筐体９を有し、その内部にスピーカ１２、マイク１３などが収容される。このように、一部密閉型とすることにより、単純開放型の騒音制御装置６と比較して、低域での位相の進み度合いを抑制することができるので、制御帯域を広げることが可能となる。

［３］変形例
上記の実施例では、非密閉型の騒音制御装置１０を車両に搭載しているが、その代わりに、飛行機、電車などの移動体に搭載し、周囲の騒音を低減することも可能である。

３ 密閉型騒音制御装置
５、９ 筐体
６ 単純開放型騒音制御装置
１０ 非密閉型騒音制御装置
１２ スピーカ
１３ マイク
１４ シェルフフィルタ
１５ ローブーストフィルタ
２１ スピーカアンプ
２２ フィルタ部
２３ マイクアンプ
２５ 保護材

Claims (1)

1. 非密閉型の構造を有し、フィードバック制御を行う能動型騒音制御装置において、
   ノイズを検出する検出手段と、
   検出されたノイズの信号の低周波帯域におけるゲインを増加させる補正手段と、
   補正されたノイズの信号に基づいて、前記ノイズを低減させるノイズ低減音を出力する出力手段と、
   を有することを特徴とする能動型騒音制御装置。

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