JP3906063B2 - 能動消音装置及び能動消音方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、工場で発生する騒音等の低減対象音を付加音源を用いて低減する能動消音装置及び能動消音方法に関し、特に空間における音響パワーを効率よく低減できるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、工場で発生する騒音(低減対象音)を付加音源(制御音源)としてのスピーカから発生した制御音で低減する能動消音方法が知られている。このような能動消音方法においては、消音の評価には1つのマイクが用いられることが多かった。一方、2つのマイクを用いて算出される音響インテンシティを評価として用いて、空間の音響パワーを最小化する能動消音方法も知られている。
【0003】
音響インテンシティを用いた能動消音方法(Journal of Sound and Vibration 1997 No.5 pp.595-611)では、ダクトを用いることで一次元の低減対象音制御問題に定式化したものであり、低減対象音源とそれをとりまく空間全体の低減対象音制御を目的とはしていない。
【0004】
音響インテンシティを用いて空間全体の音響パワーの最小化を行う方法(特開平10−149172)では、音響インテンシティを用いた空間の制御を行う原理を提示しているが、音響パワーを最小化するための音響インテンシティの計測について音響インテンシティプローブをどのように位置決めするかについての具体的記述はない。
【0005】
音響インテンシティを計測するプローブを構成する2つのマイクの位置を変更することで空間の音響インテンシティベクトルを直接計測するような方法(特開平2−167437、特開平7−243905)は、二つのマイクをそれぞれどのように配置駆動するかについての手法であり2つのマイク一組を同時に位置決めする方法ではない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した音響インテンシティを用いた能動低減対象音方法であると次のような問題があった。すなわち、空間全体の音場を制御できないという原理の問題や、実際にどのような位置で音響インテンシティの計測を行うと空間の音響パワーを最小とすることができるかが不明であった。
【0007】
そこで本発明は、空間の音響インテンシティを計測するプローブを最適な位置に位置決めすることで空間の音響パワーを最小とすることができる能動消音装置及び能動消音方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の能動消音装置及び能動消音方法は次のように構成されている。
【0009】
(1)低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを低減する能動消音装置において、上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測手段と、上記空間内に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、二つのマイクを有し上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測手段と、この音響インテンシティ計測手段を上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントに位置決めする音響インテンシティ計測装置駆動手段と、上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御手段とを備え、上記低減対象音源は一つの音源からなり、上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記低減対象音源と上記付加音源とを結ぶ直線に直交し上記付加音源を通る直線上に位置し、上記音響インテンシティ計測手段は上記付加音源に向けられていることを特徴とする。
【0010】
(2)低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを低減する能動消音装置において、上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測手段と、上記空間内に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、二つのマイクを有し上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測手段と、この音響インテンシティ計測手段を上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントに位置決めする音響インテンシティ計測装置駆動手段と、上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御手段とを備え、上記低減対象音源は同じ位相を有する同じ平面上に位置する複数の音源からなり、上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントを通る直線上に位置することを特徴とする。
【0011】
(3)上記(2)に記載された能動消音装置であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントは、上記付加音源を鳴らさない場合において上記付加音源を中心とする円上の各点における上記付加音源に向けた音響インテンシティ計測手段の計測結果から取捨選択して求めることを特徴とする。
【0012】
(4)低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを付加音源から出力される音波により低減する能動消音方法において、上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測行程と、上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントで上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測行程と、上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御行程とを備え、上記低減対象音源は一つの音源からなり、上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記低減対象音源と上記付加音源とを結ぶ直線に直交し上記付加音源を通る直線上に位置し、上記音響インテンシティ計測行程における計測は上記付加音源に向けて行うことを特徴とする能動消音方法。
【0013】
(5)低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを付加音源から出力される音波により低減する能動消音方法において、上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測行程と、上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントで上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測行程と、上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御行程とを備え、上記低減対象音源は同じ位相を有する同じ平面上に位置する複数の音源からなり、上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントを通る直線上に位置することを特徴とする。
(6)上記(5)に記載された能動消音装置であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントは、上記付加音源を鳴らさない場合において上記付加音源を中心とする円上の各点における上記付加音源に向けた音響インテンシティ計測行程における計測結果から取捨選択して求めることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施の形態に係る能動消音装置10の構成を示す図、図2は能動消音装置10に組み込まれた音響インテンシティプローブ装置30を示す斜視図である。なお、図1中Pは低減対象音を発生する低減対象音源を示している。
【0015】
能動消音装置10は、低減対象音源Pの近傍に配置された検出装置(音源計測手段)20と、音響インテンシティプローブ装置30と、制御音を発生する音源部40と、検出装置20及び音響インテンシティプローブ30からの出力に基づいて制御音源(付加音源)42の出力を制御する制御部50とを備えている。能動消音装置10においては、制御音源42から出力される制御音響パワーを最小化することが空間内の音響パワーを最小化することになる原理を利用するものである。
【0016】
検出装置20は、例えばマイクや加速度計等から構成されており、低減対象音源Pの振動低減対象音情報を検出し、検出器出力として出力する機能を有している。
【0017】
音響インテンシティプローブ装置30は、後述するスピーカ支持柱41回りに配置されたプローブ駆動リング装置31と、このプローブ駆動リング装置31により回転可能に支持されるアーム32と、このアーム32を回転軸C回りに図中矢印R方向に沿って回転駆動させるモータ装置(音響インテンシティ計測装置駆動手段)33と、アーム32の先端に取り付けられた垂直柱34と、この垂直柱34の上端に取り付けられた音響インテンシティプローブ(音響インテンシティ計測手段)35と、この音響インテンシティプローブ35の出力を後述する音響インテンシティ演算部51に入力するためのケーブル36とを備えている。なお、音響インテンシティプローブ35は、一対のマイク35a,35bから構成されており、その先端を対向させて設置されている。
【0018】
音響インテンシティプローブ装置30によれば、モータ装置33を作動させることにより、音響インテンシティプローブ35が音源部40を取り囲むようにして位置決めすることができる。
【0019】
音源部40は、低減対象音源Pから所定の距離だけ離間して配置されたスピーカ支持柱41と、このスピーカ支持柱41に支持されるとともに後述する制御器演算部53の出力に基づいて制御音を発生する全方向スピーカから構成された制御音源42とを備えている。
【0020】
制御部50は、音響インテンシティプローブ35の出力に基づいて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ演算部51と、音響インテンシティと振動低減対象音情報に基づいてフィルタ係数を更新する制御器フィルタ係数更新部52と、検出器出力及びフィルタ係数が入力され、検出器出力にフィルタ係数を乗じる制御器演算部53とを備えている。
【0021】
このように構成された能動消音装置10では、次のようにして空間内の音響パワーが最小となるように制御する。すなわち、モータ装置33を作動させることにより、音響インテンシティプローブ35を任意の計測ポイントに位置決めする。音響インテンシティプローブ35からの出力は音響インテンシティ演算部51に入力される。次に、モータ装置33を作動させ、音響インテンシティプローブ35を異なる計測ポイントに移動させ、同様に音響インテンシティプローブ35からの出力を音響インテンシティ演算部51に入力する。同様にして音響インテンシティプローブ35が制御音源42を取り囲む円周上の計測ポイントに次々に位置決めされ、そのときの出力を音響インテンシティ演算部51に入力する。このとき得られた各音響インテンシティから、実際に制御に用いる計測ポイントを取捨選択する。
【0022】
音響インテンシティ演算部51では選択された計測ポイントにおける音響インテンシティプローブ35の出力に基づいて音響インテンシティが算出され、制御器フィルタ係数更新部52へ入力される。また、低減対象音源Pの振動低減対象音情報を検出した検出器出力は制御器フィルタ係数更新部52及び制御器演算部53に入力される。
【0023】
制御器フィルタ係数更新部52ではフィルタ係数が算出され、制御器演算部53に入力される。制御器演算部53では、検出器出力にフィルタ係数を乗じて、制御音源42からの出力の制御を行う。これにより、空間の低減対象音制御が可能となる。
【0024】
以下に具体的な計算方法を述べる。
【0025】
現在の時刻をk、制御器フィルタ係数のフィルタ次数をLとする。すなわち制御器フィルタ係数WはL個のデータをデータ列として有している。音源計測手段20の出力を時系列データ列Xkとする。この時系列データXkは現在から過去Lサンプル時間のデータをデータ列として有している。制御器演算部53では式(1)の演算を行って制御音源42の出力Ykを算出する。
【0026】
【数1】
【0027】
制御器フィルタ係数更新部52では次のようにしてフィルタ係数を更新する。制御音源42から観測ポイントのインテンシティまでの音圧の伝達特性をhとし、粒子速度の伝達特性をgとする。この伝達特性は前もって計測しており、制御器フィルタ係数更新部52ではこのブロックの特性をデータ列として有している。音源計測部20からの時刻歴データ列Xkは、制御器フィルタ係数更新部52にも渡され、式(2)のようにh特性を付加されたrk、同様に式(3)のようにg特性を付加されたskが算出される。観測ポイントにおける音圧をpk、粒子速度をvk、現在時刻をk、インテンシティ演算のための次数をMとすると、制御器フィルタ係数の更新のために必要なフィルタ係数Wの一要素Wjは式(4)のように計算できる。このような演算によって計測ポイントにおける音響インテンシティは零に近づいていく。ここでμは零に近づけるときの速度を調節する係数である。
【0028】
【数2】
【0029】
音響インテンシティプローブ装置30によれば、空間における高さの低減対象音分布が大きく変化していない場合には、水平面内において制御音源42を中心点とする円周上に音響インテンシティプローブ35を位置決めすることによって、制御に用いるための音響インテンシティ計測ポイントを取捨選択することができ、選択された計測ポイントにおける音響インテンシティを用いて制御音源42の制御音響パワーを計測することができる。一方、高さの低減対象音分布が大きく変化する場合には鉛直平面内において制御音源42を中心点とする円周上に音響インテンシティプローブ35を位置決めすることによって、制御に用いるための音響インテンシティ計測ポイントを取捨選択することができ、選択された計測ポイントにおける音響インテンシティを用いて制御音源42の制御音響パワーを計測することができる。
【0030】
上述したように、本第1の実施の形態に係る能動消音装置10によれば、制御音源42から一定距離離間した円周上の計測ポイント上に音響インテンシティプローブ35を位置決めすることによって、制御に用いるための音響インテンシティ計測ポイントを取捨選択することができ、選択された計測ポイントにおける音響インテンシティを用いて制御音源42の放出する制御音響パワーを正確に計測することができる。このため、音響インテンシティを用いた能動消音を効率よく行うことができ、空間内の音響パワーを最小とすることが可能となる。
【0031】
図3は円周上の計測ポイントにおいて音響インテンシティを計測するのではなく、球面上の計測ポイントにおいて音響インテンシティを計測するための音響インテンシティプローブ装置60を示す説明図である。
【0032】
音響インテンシティプローブ装置60は、2軸ジンバル機構61と、この2軸ジンバル機構61に支持された音響インテンシティプローブ62とを備えている。2軸ジンバル機構61は、音源部40の支持柱41の周囲に設けられた支持部61aと、この支持部61aから鉛直方向に延設された支持柱61b,61cと、これら支持柱61b,61cに支持され、水平方向の軸H回りに図中矢印G方向に回転可能に支持された駆動リング61dとを備えている。また、駆動リング61dには、その内周に沿って図中矢印J方向に駆動可能な音響インテンシティプローブ62が設けられている。音響インテンシティプローブ62は、図示しない一対のマイクから形成されている。したがって、音響インテンシティプローブ62は制御音源42から一定距離離間した球面上の計測ポイントにおいて音響インテンシティを計測することが可能となる。
【0033】
本変形例においては、制御音源42から一定距離離間した球面上の計測ポイント上に音響インテンシティプローブ62を位置決めすることによって、制御に用いるための音響インテンシティ計測ポイントを取捨選択することができ、選択された計測ポイントにおける音響インテンシティを用いて制御音源42の放出する制御音響パワーを正確に計測することができる。このため、音響インテンシティを用いた能動消音を効率よく行うことができ、空間内の音響パワーを最小とすることが可能となる。
【0034】
上述した能動消音装置10において、空間内の音響パワーを最小化するためには、制御音源42の放出する制御音源パワーと等価な意味をもつ特定の位置における特定方向の音響インテンシティを計測する必要があり、音響インテンシティプローブ装置30,60を用いて、制御に用いるための音響インテンシティ計測ポイントを取捨選択する。この取捨選択の方法について以下に述べる。
【0035】
図4は低減対象音源が1つの点としてみなせる場合を示す説明図である。すなわち、低減対象音源P1に対して制御音源42はなるべく近接させて配置され、その低減対象音源Pと制御音源42とを結ぶ線分L1に対して直交する線分L2上で制御音源42に向けて音響インテンシティを計測することは、制御音源42からの制御音源パワーを計測することと等価である。したがって、音源部40のまわりで配置駆動される音響インテンシティプローブ35,62は、一点の音響インテンシティを計測するだけで制御音源パワーの計測が可能である。
【0036】
一方、図5に示すように2つの低減対象音源P1、P2があり、それぞれ同相で駆動される点とみなせる場合を示す説明図である。すなわち、低減対象音源P1、P2に対して音源部40は低減対象音源P1を制御対象とするならば、制御音源42は低減対象音源P1になるべく近接させて配置され、低減対象音源P1と制御音源42を結ぶ線分L3に直交する線分L4から所定の角度をもつ線分L5の上で制御音源42に向けて音響インテンシティを計測することは、制御音源42の制御音源パワーを計測することと等価となる。従って、この線分L5と制御音源42を中心として持つ円との交点を探索する必要がある。
【0037】
この所定の角度は次に述べる方法で算出することができる。制御音源42を鳴らさない場合において、制御音源42を中心として持つ円の上の各点において、制御音源42を向く方向で音響インテンシティプローブ35,62を駆動して、円周上や球面上の各計測ポイントにおける音響インテンシティの計測を行うと、音響インテンシティが正も負もとらない零となるポイントが2点あらわれる。この2点の位置は制御音源42を鳴らさない場合において音響インテンシティの吹き出しも吸い込みも起きていない場所であるから、低減対象音源P1とこの2点を結ぶベクトルの合成ベクトルに垂直で制御音源42を通る直線がL5であり、この直線上で音響インテンシティを計測することで制御音源42の放出する制御音源パワーと等価な意味をもつ特定の位置における特定方向の音響インテンシティを計測することが可能になる。
【0038】
したがって、制御音源42のまわりで配置駆動される音響インテンシティプローブ35,62は、配置駆動されて計測された各計測ポイントの音響インテンシティデータを用いて取捨選択された一点の計測ポイントにおける音響インテンシティを計測するだけで制御音源パワーの計測が可能となる。このような計測ポイントの取捨選択手法は、同相で駆動される点とみなせる音源の場合には、1点や2点といった音源の数に依存するものではない。
【0039】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、空間の音響インテンシティを計測するプローブを最適な位置に位置決めすることで空間の音響パワーを最小とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る能動消音装置の全体構成を示す図。
【図2】同能動消音装置に組み込まれた音響インテンシティプローブ装置を示す斜視図。
【図3】同音響インテンシティプローブ装置の変形例を示す図。
【図4】同能動消音装置における低減対象音源が1点である場合の計測ポイントを示す説明図。
【図5】同能動消音装置における低減対象音源が2点である場合の計測ポイントを示す説明図。
【符号の説明】
10…能動消音装置
20…制御部
30…音響インテンシティプローブ装置
35,62…音響インテンシティプローブ
40…音源部
42…制御音源
50…制御部
P,P1,P2…低減対象音源
Claims (6)
- 低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを低減する能動消音装置において、
上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測手段と、
上記空間内に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、
二つのマイクを有し上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測手段と、
この音響インテンシティ計測手段を上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントに位置決めする音響インテンシティ計測装置駆動手段と、
上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御手段とを備え、
上記低減対象音源は一つの音源からなり、
上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記低減対象音源と上記付加音源とを結ぶ直線に直交し上記付加音源を通る直線上に位置し、
上記音響インテンシティ計測手段は上記付加音源に向けられていることを特徴とするの能動消音装置。 - 低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを低減する能動消音装置において、
上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測手段と、
上記空間内に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、
二つのマイクを有し上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測手段と、
この音響インテンシティ計測手段を上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントに位置決めする音響インテンシティ計測装置駆動手段と、
上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御手段とを備え、
上記低減対象音源は同じ位相を有する同じ平面上に位置する複数の音源からなり、
上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントを通る直線上に位置することを特徴とする能動消音装置。 - 上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントは、上記付加音源を鳴らさない場合において上記付加音源を中心とする円上の各点における上記付加音源に向けた音響インテンシティ計測手段の計測結果から取捨選択して求めることを特徴とする請求項2に記載の能動消音装置。
- 低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを付加音源から出力される音波により低減する能動消音方法において、
上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測行程と、
上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントで上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測行程と、
上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御行程とを備え、
上記低減対象音源は一つの音源からなり、
上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記低減対象音源と上記付加音源とを結ぶ直線に直交し上記付加音源を通る直線上に位置し、
上記音響インテンシティ計測行程における計測は上記付加音源に向けて行うことを特徴とする能動消音方法。 - 低減対象音源から発せられた低減対象音による所定の空間内における音響パワーを付加音源から出力される音波により低減する能動消音方法において、
上記低減対象音源近傍に配置され低減対象音情報を計測する音源計測行程と、
上記付加音源を中心とした所定半径の円周上又は球面上に存する計測ポイントで上記空間の音響インテンシティを計測する音響インテンシティ計測行程と、
上記音響インテンシティ及び上記低減対象音情報に基づいて、上記付加音源の出力を制御する付加音源制御行程とを備え、
上記低減対象音源は同じ位相を有する同じ平面上に位置する複数の音源からなり、
上記計測ポイントは、上記低減対象音源と上記付加音源が存在する平面内であって、上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントを通る直線上に位置することを特徴とする能動消音方法。 - 上記付加音源を中心とする円上であって音響インテンシティが略零となる2つのポイントは、上記付加音源を鳴らさない場合において上記付加音源を中心とする円上の各点における上記付加音源に向けた音響インテンシティ計測行程における計測結果から取捨選択して求めることを特徴とする請求項5に記載の能動消音方法。
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