JP3802438B2

JP3802438B2 - 能動消音装置

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Publication number: JP3802438B2
Application number: JP2002089588A
Authority: JP
Inventors: 明彦江波戸; 山勉塩; 川裕一森; 村修西; 坂倫佳穂
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003288079A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、開口部から進入する音の低減を行う能動消音装置に係わり、とりわけ、遮音壁など設置が困難な場合に好適な能動消音装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交通量の多い道路や鉄道に面した場所では、自動車や鉄道車両の走行音による騒音被害が大きく、特に夜間の住宅地や学校・病院など公共施設では深刻な問題となっている。こうした騒音を軽減する技術としては遮音壁が効果的であるが、５００Ｈｚ以下の低周波音は遮音壁を回折して伝わるため、十分な効果を得るのが難しい。また、遮音壁よりも高い位置にある中高層階の建物においては遮音効果が得られない。また、遮音壁の一部に出入り口や通風口などの開口部を設けることがあり、開口部を通過して騒音が伝播し、十分な防音効果が得られない問題がある。
【０００３】
騒音を受ける側である建造物の対策としては、建造物側に近接して樹木や遮音壁を設けるなどの対策があるが、前述のように中高層階では樹木や遮音壁の高さ以上になるため防音効果が得られない。また、建造物の窓については二重窓などの対策があるが、換気・通風性が十分得られない欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、開口部を設置する目的は、人や物の搬入通路の確保、あるいは開口部外部に熱源があり、その冷却のために排熱、換気をするためにある。従って、開口部の正面にはできるかぎり、その妨げとなるものは置かないのが望ましい。従って、騒音対策のもっとも一般的かつ確実な遮音、吸音対策はこの場合は使えない。そこで、開口部が仮にダクトのように、ある程度の伝播方向に長さをもっているのであれば、スリットを挿入する、あるいは、ダクトの形状を変更するなど通常のパッシブ対策が期待できるが、本提案で定義する開口部は扉の枠のようなもの（扉や窓が開いた状態）で、伝播方向の長さが開口部の大きさに比して短く、ダクト効果が期待できないので上記パッシブ対策は適用できない。特に、開口部騒音は音源も必ずしも、音源を特定できず、また、前述のとおり、パッシブ対策できないことから、本来、低減可能である中高域音も騒音として残る。
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、開口部騒音を低減することのできる能動消音装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様による能動消音装置は、開口部の外側に設けられた騒音源から前記開口部を通して進入する騒音と相関のある信号を検出する参照信号検出部と、前記開口部の周囲に設置されるスピーカと、前記開口部の周囲に設置され前記開口部から進入する音圧を検出する第１および第２のマイクと、前記第１および第２のマイクで検出される信号が最小となるように前記スピーカから前記参照信号検出部によって検出された信号と逆位相の音を発せさせる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記第１および第２のマイクで検出した音圧の二乗和の最小化演算を１つのフィルタのみを使って１つのフィルタ係数を求める適応制御フィルタと、この適応制御フィルタによって求められた前記フィルタ係数を保持する固定制御フィルタとを備え、前記音源から前記第１のマイクまでの距離をｄ１、前記音源から前記第２のマイクまでの距離をｒ１、前記スピーカから前記第１のマイクまでの距離をｄ２、前記スピーカから前記第２のマイクまでの距離をｒ２とすると、前記音源から（ｄ１＋ｒ１）／２、前記スピーカから（ｄ２＋ｒ２）／２離れた地点を最小化することを特徴とする。
【０００７】
このような構成とすることにより、比較的簡単な制御構成で開口部侵入騒音を効果的に低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、以下、図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による能動消音装置を、図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）は、第１実施形態の能動消音装置の構成を示すブロック図、図１（ｂ）は、開口部を介して接続された２つの部屋に配置された第１実施形態の能動消音装置の構成を示す平面図である。図１（ｂ）に示すように、開口部１の外側に騒音源２があり、開口部１を通して進入する騒音を低減の対象としている。本実施形態の能動消音装置は、参照信号検出部３と、開口部１の周囲に設置されたスピーカ４と、開口部周囲に設置されたマイク５と、制御回路６とを備えている。
【００１５】
開口部１に進入する騒音源２と相関のある信号を参照信号検出部３によって検出する。仮に騒音源２が特性できない場合でも、上記参照信号検出部３が開口部１付近の音源側に設置されていれば、開口部１に進入する騒音と相関のある信号を検出できる。また、開口部１の周囲手前側に設置されたマイク５によって開口部１から進入する音圧あるいは音響インテンシティを検出する。参照信号検出部３によって検出された信号に基づいて、制御回路６によって、マイク５で検出した音圧あるいは音響インテンシティが最小となるように、フィードフォワード制御が行われ、開口部１の周囲に設置されたスピーカ４から参照信号検出部３の検出信号と逆位相の音が発せられる。これにより、開口部１からの進入する音を低減することができる。
【００１６】
なお、本実施形態においては、騒音源２は開口部１によって接続された２つの部屋の一方に配置されていたが、開口部１によって建物または部屋と接続された外部に配置されていても良い。
【００１７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による能動消音装置を、図２乃至図１１を参照して説明する。
【００１８】
図２に示すように、開口部の寸法（幅ａ(ｍ)×高さｂ(ｍ)）は、幅１ｍから１．３ｍ、高さ１．８ｍから２ｍで人が出入りできる寸法を想定する。すると、騒音源２が開口部から３ｍ以上離れていれば、図３に示すように、対象音が５００Ｈｚくらいまでの周波数においては、開口部の内部では高さｈ＝１．５ｍくらいまでほぼ半波長以内にあり、同位相領域と見なすことができる。横方向に関しては、幅１ｍから１．３ｍまでは同様に概ね同位相となる。
【００１９】
したがって、図４（ａ）に示すように長手方向（Ｚ軸）は同位相である線状に配置されたスピーカ４（以下、線音源スピーカと称する）を開口部の音源特性が概ね同位相領域となる高さまで、図５（ａ）に示す向きに立てて設置し、開口部中央に向かって逆位相放射させることで、この領域内で音の干渉を起こさせ開口部からの進入騒音を低減させることが可能となる。また、図４（ｂ）に示すように線音源スピーカ４はもう一つの特徴として放射面からＺ軸上下方向に対しては急激に減衰（数度の指向角）を持つことから、高さ１．５ｍ以上の位相が反転する領域（図５（ｂ）中の「−」表示面）については、音の伝播特性は劣化するため干渉が弱まり、逆に音が増幅することはなくなる。
【００２０】
一方、横方向に関しては、幅１ｍから１．３ｍでは同様に概ね同位相となることから、スピーカ４から発せれる音を図６に示す向きにした場合は、スピーカ４から発した音はその波長の関係から、開口部の上方（図５（ｂ）中の「−」表示面）では位相反転するため、結果として上方部は逆に音圧が増加することもあるが、開口部の高さ１．５ｍくらいまでの領域で低減すれば、上方部が増加していても、十分消音効果は実感できる。
【００２１】
上述のことを確かめるために、図７（ａ）に示す実験装置を用いて簡易試験を行った。この実験装置を、開口部を介して接続された２つの部屋に配置した平面図を図７（ｂ）に示す。
【００２２】
模擬音源はコーン型スピーカ７を使用し、開口部中央からＬ＝１．３ｍに配置した。また、スピーカ８は長手方向において同位相特性である線音源スピーカ４（開口部の幅相当長さを持つ）を使用し、放射面を上にして床に設置した。発振機９から１８０Ｈｚの音を発生させて振幅位相調整器１０を用いて、開口部１の中央手前１ｍに設置したマイク１１での音圧を最小にした。音源の位置Ｌと開口部寸法（幅１．２ｍ×高さ２ｍ）の関係から、開口部１へ進入する音源の位相は開口部の高さ約１．５ｍまでは概ね同位相である。一方、制御用線音源スピーカ８は、高さ約０．９ｍ（半波長分）まで同位相となる。従って、高さ約０．６ｍ分だけ両者の位相がずれ、計算上は、上方部では低減しなくなる。確かに図８に示すような開口部から約２０ｃｍ部屋側に入った領域Ａ部（開口部に平行）では制御前後の音圧分布低下量は図９に示すようになり、高さ１．４ｍ付近から上方では低減しなくなったものの、高さ１．４ｍ付近までは最大１０ｄＢ以上の騒音低減量を得て、聴感上も良くわかるまで低減している。局所的には、１５ｄＢ近く低減している部分も存在した。
【００２３】
また、図１０（ａ）に示すように開口部に設置した線音源スピーカ８からさらに５０ｃｍ以上部屋側に入った領域Ｂ（高さ１ｍ）の、図１１（ａ）に示す測定点の位置における音圧分布（離散１２点計測）は、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すような結果になった。図１１（ｂ）、（ｃ）は、線音源スピーカ８による制御ＯＦＦ時とＯＮ時の音圧レベル（ｄＢ）をそれぞれ示す図である。６１ｄＢ〜６６ｄＢあった音圧レベルが４７ｄＢ〜５８ｄＢまで低下し、音が逆に増加することなく、十分低減効果を確認できた。
【００２４】
したがって、前述したように、開口部１の寸法は、幅を１ｍから１．３ｍ、高さを１．８ｍから２ｍくらいに限定すれば、音源の位置と開口部寸法の関係から、概ね、５００Ｈｚくらいまでは、１つの線音源スピーカで低減可能となる。
【００２５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による能動消音装置を、図１２を参照して説明する。図１２は本実施形態の能動消音装置の一部分の構成を示すブロック図である。この実施形態の能動消音装置は、第１実施形態の能動消音装置において、マイク５の代わりに２本のマイク１２，１３を用いて各々音圧を検出するように構成したものである。なお、スピーカ４は1個しか用いない。したがって、制御回路６は上記２本のマイク１２，１３で検出した音圧の二乗和が最小となるように演算する１つの適応制御フィルタ１４と、このフィルタ１４で算出されたフィルタ係数を保持する１つの固定制御フィルタ１５とを備えているように構成される。
【００２６】
例えば、図１３に示すように音源２、上記スピーカ４、マイク１２，１３が設置されている場合を考える。簡単のため、距離による減衰はないものとする。このとき、マイク１２、マイク１３で検出する誤差信号ｅ１、ｅ２は、それぞれ次に示すようになる。
【数１】

【００２７】
ここで、ｄ１、ｒ１は、音源２からマイク１２、１３までの距離をそれぞれ示し、ｄ２、ｒ２は、スピーカ４からマイク１２、１３までの距離をそれぞれ示し、θは音源２に対するスピーカ４の位相を示す。
【００２８】
このとき、図１２に示す２本のマイク１２，１３で検出した音圧の二乗和を評価関数Jとすると、これを１つのフィルタのみで最小化することから、次の式で示す位相の場合に、この値が最小となる。なお、上記音圧二乗和を２つのフィルタで最小化した場合には、以下の式にはならず、結果としては、マイクが設置された点以外の点を最小化することができない。
【数２】

【００２９】
従って、これは、音源２から（ｄ１＋ｒ１）／２、制御用スピーカ４から（ｄ２＋ｒ２）／２離れた地点、つまり、上記２つのマイク１２、１３の位置以外の地点を最小化できることを意味する。何故ならば、音源２から（ｄ１＋ｒ１）／２、制御用スピーカ４から（ｄ２＋ｒ２）／２離れた地点での誤差信号をｅ_pとすると、これは音源から伝わる誤差信号ｅ_ａ、付加音源から伝わる誤差信号ｅ_ｂとの和で表され、簡単のため振幅減衰項を無視した仮定では、次の式示すように音圧０となる。
【数３】

【００３０】
この音圧０の部分は、音源から（ｄ１＋ｒ１）／２、制御用スピーカから（ｄ２＋ｒ２）／２離れた点の軌跡となることから、ある場合（接点）を除き、円（これらを半径とする球同士の接線）となる。
【００３１】
なお、本実施形態で扱うスピーカ４及び音源２は実際には距離減衰があることから、上記音圧０（誤差信号ｅ_ｐ）点での音源２、スピーカ４からの音圧をP1、P2とすると、次の式で表される。
【数４】

【００３２】
言いかえれば、音源２から距離ｄ１、制御用スピーカ４からｄ２離れた地点にマイク１２を、音源からｒ１、制御用スピーカからｒ２離れた地点にマイク１３を設置し、同時にこれらの音圧の２乗和を最小とする制御を行うと、スピーカ４からは音源の体積速度の（ｄ２＋ｒ２）／（ｄ１＋ｒ１）倍の付加音源を出力し、結果、図１４に示すように音源２から（ｄ１＋Ｌ１）／２、制御用スピーカ４から（ｄ２＋Ｌ２）／２離れた地点２０に新たに音圧最小点を作り出すことになる。
【００３３】
この原理を確認するために、３次元空間の自由空間内に音源２、スピーカ（付加音源）４及び２つのマイク１２、１３を設置したときのＸ−Ｙ平面（Ｚ＝０）内での音圧分布を計算した結果を図１５乃至図１８に示す。図１５は音圧の斜視図、図１６は図１５に示す音圧を等圧線で示した平面図である。図１７は音圧の斜視図、図１８は図１７に示す音圧を等圧線で示した平面図である。なお、図１５および図１６と、図１７および図１８とは音源２とスピーカ４との相対的な位置を変えた場合の計算結果である。音源２から（ｄ１＋ｒ１）／２、制御用スピーカ４から（ｄ２＋ｒ２）／２離れた地点２０が音圧最小となり、２つのマイク１２、１３の位置以上に低減していることがわかる。
【００３４】
したがって、本実施形態の能動消音装置は図１９に示す構成となる。図１９（ａ）は、本実施形態の能動消音装置の構成を示すブロック図であり、図１９（ｂ）はこの実施形態の能動消音装置を、開口部を介して接続された２つの部屋に配置されたときの平面図である。開口部１は人が出入りすることを想定すると、第１実施形態におけるマイク５は出入りの邪魔になり、図１で示した開口部正面の理想的な位置に上記マイク５を設置することはできない。従って、本実施形態のように、２本のマイク１２、１３を用いて、各々開口部の両側に設置することにより、開口部１の空間２０に任意に音圧最小点を作り出すことが可能となり、開口部騒音を実利的な面も考慮して効果的に低減することができる。
【００３５】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による能動消音装置を、図２０を参照して説明する。この実施形態の能動消音装置の構成を図２０（ａ）に示す。図２０（ｂ）は本実施形態の能動消音装置を、開口部を介して接続された２つの部屋に配置されたときの平面図である。
【００３６】
第２実施形態では消音効果を減じさせる要因の一つは、スピーカ８からの音波が開口部外に漏れたり、仕切り壁などに反射／散乱することによる。そこで、図２０に示す本実施形態の能動消音装置は、第１実施形態において、第２実施形態で示した線音源スピーカ４を開口部１（幅ａ、高さｂ、奥行きｃ）の床面に設置し、対向して天井面には吸音材２１を設けた構成となっている。線音源スピーカ４の長手方向の長さは開口部１の幅ａにほぼ等しく、吸音材２１も開口部１の奥行きいっぱいに設けられている。
【００３７】
線音源スピーカ４の音響放射特性は、その長手方向には同位相で放射し、開口部１の奥行き方向の指向特性は、図２１に示すように、中心から角度ｃ／（２ｂ）以上では中心方向の音圧に比して３ｄＢ以上低下するように設定されている。
【００３８】
線音源スピーカ４の指向特性が上記のように設定されているため、線音源スピーカ４から放射された音波は、開口部外にほとんど漏れずに効率よく開口部１に進入する騒音の音波と干渉し、天井部に達した線音源スピーカ４からの音波も吸音材２１で吸収されるため、反射／散乱も少ないという特徴をもつ。
【００３９】
図２０では、線音源スピーカ４と吸音材２１をそれぞれ床部と天井部に設けたが、線音源スピーカ４を天井部に吸音材２１を床部に設けてももちろん同等の効果が得られる。
【００４０】
また、線音源スピーカ４を開口部１の側壁に設け、吸音材２１を対向する側壁に設けてもよい。その場合は線音源スピーカ４の開口部１の奥行き方向の指向特性は、吸音材２１の奥行き方向の幅をｄとすると、角度ｄ／（２ａ）以上では中心方向の音圧に比して３ｄＢ以上低下するように設定される。要するに、線音源スピーカ４の指向特性が、開口部１内にのみ強く音響放射されるように設計することが肝心である。
【００４１】
また、開口部１の天井部が吹き抜けである場合は、吹き抜け部を吸音部とみなして線音源スピーカ４の指向特性を設計することができるのも言うまでもないことである。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、開口部に通風や通行の障害となる構造物を設置することなく、効率的な消音効果が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による能動消音装置の構成を示す図。
【図２】第２実施形態の能動消音装置を説明する図。
【図３】第２実施形態の騒音位相分布に関する説明図。
【図４】第２実施形態に用いられるスピーカに関する説明図。
【図５】第２実施形態に用いられるスピーカの設置状況に関する説明図。
【図６】第２実施形態のスピーカの別の設置状況に関する説明図。
【図７】第２実施形態の効果を実証するための実験装置の構成を示す図。
【図８】図７に示す実験装置を用いて行った消音効果実験に関する説明図。
【図９】図７に示す実験装置を用いて行った消音実験の効果を説明する図。
【図１０】図７に示す実験装置を用いて行った他の消音効果実験に関する説明図。
【図１１】図７に示す実験装置を用いて行った他の消音実験の効果を説明する図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る制御回路の構成示すブロック図。
【図１３】第３実施形態に係るマイクと騒音源およびスピーカとの位置関係を示す図。
【図１４】第３実施形態の効果を説明する図。
【図１５】第３実施形態の能動消音装置で得られる音圧分布を示す斜視図。
【図１６】第３実施形態の能動消音装置で得られる音圧分布を示す平面図。
【図１７】第３実施形態の能動消音装置で得られる音圧分布を示す斜視図。
【図１８】第３実施形態の能動消音装置で得られる音圧分布を示す平面図。
【図１９】第３実施形態の能動消音装置の構成を示す図。
【図２０】本発明の第４実施形態による能動消音装置の構成を示す図。
【図２１】第４実施形態に係るスピーカの特性を説明する図。
【符号の説明】
１開口部
２騒音源
３参照信号検出部
４スピーカ
５マイク
６制御回路
７摸擬音源用コーン型スピーカ
８スピーカ
９発振機
１０振幅位相調整機
１１マイク
１２マイク
１３マイク
１４適応フィルタ
１５固定フィルタ
２０音圧最小位置
２１吸音材

Claims

開口部の外側に設けられた騒音源から前記開口部を通して進入する騒音と相関のある信号を検出する参照信号検出部と、前記開口部の周囲に設置されるスピーカと、前記開口部の周囲に設置され前記開口部から進入する音圧を検出する第１および第２のマイクと、前記第１および第２のマイクで検出される信号が最小となるように前記スピーカから前記参照信号検出部によって検出された信号と逆位相の音を発せさせる制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記第１および第２のマイクで検出した音圧の二乗和の最小化演算を１つのフィルタのみを使って１つのフィルタ係数を求める適応制御フィルタと、この適応制御フィルタによって求められた前記フィルタ係数を保持する固定制御フィルタとを備え、前記音源から前記第１のマイクまでの距離をｄ１、前記音源から前記第２のマイクまでの距離をｒ１、前記スピーカから前記第１のマイクまでの距離をｄ２、前記スピーカから前記第２のマイクまでの距離をｒ２とすると、前記音源から（ｄ１＋ｒ１）／２、前記スピーカから（ｄ２＋ｒ２）／２離れた地点を最小化することを特徴とする能動消音装置。