JP4015812B2 - 能動消音装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元空間の環境騒音に対して同振幅で逆位相の干渉音を発生させることで消音する能動消音装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジン発電設備、コジェネレーション設備、大型変圧器等の大型設備からは運転中に所謂環境騒音が発生し、この騒音はその設備の周辺で働く労働者に対して不快感を与えるに留まらず、難聴を防止するために耳栓を必要とするなど労働衛生上問題となることが多い。
【0003】
このような環境騒音を低減する技術として、例えばディーゼルエンジンの排気管、送風機等のダクト内の騒音に適用できる能動消音技術が知られている。
【0004】
図8は従来の能動消音装置の構成を示す図である。
【0005】
この能動消音装置は、ダクト71の内部の騒音を消音するためのもので、騒音を検出する参照信号用マイクロフォン72、このダクト内に干渉音を入力するためのスピーカ73、消音の効果を評価するための評価用マイクロフォン74及びこれらの機器を制御して消音動作を行うコントローラ75で構成されている。
【0006】
発生した騒音は図左から右に伝播し、先ず参照信号用マイクロフォン72によって検出され電気信号に変換される。この信号はコントローラ75に入力され、コントローラ75は入力された騒音信号に対して同振幅で逆位相の特性をもつ信号を生成し、騒音が伝播して行く音響伝達特性に合わせてスピーカ73から干渉音として出力する。
【0007】
スピーカ73から発生した干渉音は騒音に作用して互いの波形が打ち消しあうように動作することで消音が行われる。しかし実際には、温度など周囲の環境の変化によって騒音の伝播状況が変動する場合には騒音に対する干渉音の波形が適正でなくなるため、消音効果が十分でないことがある。このため、評価用マイクロフォン74を用いて消音状態を検出し、もし十分な消音効果が得られていなければ、コントローラ75は干渉音の強度、タイミングなどを変化させて最適な消音効果が得られるように制御を行う。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の能動消音技術はダクト等のように音の伝播方向が一方向に限定される1次元の対象については効果的であるが、エンジンルームなどのような3次元空間について適用した場合は、ある場所では消音効果が得られるものの、別の場所では音が増加する現象が発生するなど消音領域にむらが生じ、十分な消音効果は得られなかった。
【0009】
従って、従来の能動消音技術を3次元空間に適用しようとした場合は、一次元の対象とは異なる構成を備えて空間に配置された能動消音装置が必要であると考えられるが、従来の技術には、そのための装置の構成に関する示唆または言及はなされていない。
【0010】
また、一般に能動消音装置ではスピーカ等が常に健全に動作することが安定した消音動作を確保するための前提条件となるが、複数のスピーカを備えた能動消音装置においては、その内の一部のスピーカに異常が発生した場合には、該当する異常スピーカを特定することには時間を要するため、消音動作の安定性が損なわれることが指摘されていた。
【0011】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、3次元空間の消音について適用することができ、またスピーカ等の異常を早期に検出できることで安定した消音動作を担保することを可能とする能動消音装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、音源から発生する騒音の伝播経路に設けられた第1の受音装置と、前記騒音の伝播経路において前記第1の受音装置よりも下流側の位置に設けられ前記騒音に対する干渉音を出力する複数の発音装置と、前記騒音の伝播経路において前記発音装置よりも下流側の位置に設けられた第2の受音装置と、前記第1の受音装置の検出信号と前記第2の受音装置の検出信号とに基づいて演算加工した制御信号を生成する制御信号生成装置と、前記演算加工された制御信号を増幅して前記複数の発音装置に同時に供給し、前記干渉音を出力させる信号増幅供給装置とを有し、前記信号増幅供給装置は、前記演算加工された制御信号を増幅する信号増幅装置に供給される電源の電圧を検出する電圧検出装置と、前記複数の発音装置に供給される増幅された制御信号の電流を検出する電流検出装置と、前記検出した電源電圧に基づいて、前記電源電圧が第1の所定値以下である場合は前記信号増幅装置が異常と判定して異常を示すランプを点灯し、前記電源電圧が第1の所定値以上である場合は前記信号増幅装置が正常と判定して正常を示すランプを点灯し、前記信号増幅装置が正常であると判定した場合でかつ前記発音装置が接続されている場合に、前記検出した電流が第2の所定値以下の場合は前記発音装置が異常と判定して異常を示すランプを点灯し、前記検出した電流が第2の所定値以上の場合は前記発音装置が正常と判定して正常を示すランプを点灯し、前記信号増幅装置が正常であると判定した場合でかつ前記発音装置が接続されていない場合は前記発音装置の正常及び異常を示すランプを消灯する判定装置とを備え、前記判定装置は、周期毎に検出した前記電源電圧と前記電流とに基づいて異常の有無を判定し、同じ判定結果が所定回数継続したことで当該判定結果を確定する能動消音装置である。
【0014】
また本発明は、上記記載の能動消音装置において、制御信号生成装置は、前記第1の受音装置の検出信号値、前記第2の受音装置の検出信号値、前記発音装置に供給される制御信号の値及び異常が発生した前記信号増幅供給装置を特定する情報を表示する入出力表示装置を備えた能動消音装置である。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の能動消音装置の動作を説明する図である。
【0016】
本能動消音装置は音源1からの騒音を検出する参照信号用マイクロフォン2、干渉音を出力するための複数のスピーカ3、このスピーカ3の消音効果を評価するための評価用マイクロフォン4、参照信号用マイクロフォン2と評価用マイクロフォン4からの受音信号を処理して干渉音用の信号を出力するコントローラ5及びこの干渉音用の信号を増幅して複数のスピーカ3に出力する増幅器6とで構成されている。
【0017】
そして、コントローラ5には、干渉音を算出する演算手段であるFIR(Finite Impulse Response)フィルタ5aと、騒音が伝播する際の音響伝達特性と同じ伝達特性を有するデジタルフィルタ5b及びFIRフィルタ5aの演算係数を変更するために設けられた適応フィルタ5cが備えられている。
【0018】
さて、音源1から空間を伝播してきた騒音は参照信号用マイクロフォン2で検出され、その検出信号がFIRフィルタ5aに入力される。ここで、FIRフィルタ5aには、騒音が参照信号用マイクロフォン2の位置からスピーカ3の位置に到達するまでの音響伝達特性と逆位相になる特性が設定されている。
【0019】
FIRフィルタ5aはこの特性に基づいて干渉音を生成するための制御信号を演算してスピーカ3から出力させる。もし、前記特性が正しいものであって適正に消音制御が行われていれば評価用マイクロフォン4で検出される音は零に近い値となるはずであるが、実際には気温などの環境条件が変動することによって、前述の音響伝達特性が変動するため十分な消音効果が得られなくなる。
【0020】
適応フィルタ5cは、消音制御中の特性変動に対応して消音量が低下しないようにFIRフィルタ5aの演算係数を変更するものである。このため、適応フィルタ5cは評価用マイクロフォン4からの信号とデジタルフィルタ5bからの信号の2つの入力信号に基づいて、例えば周知のLMSアルゴリズムを用いて、演算係数の調整設定動作を行う。
【0021】
次に、前述の能動消音装置を3次元空間に適用することを考える。3次元空間では一般に騒音の伝播方向を特定することが困難なため参照信号マイクロフォン2、スピーカ3及び評価用マイクロフォン4の配置を決定することも困難となることが多い。また消音すべき領域が空間にまで広がっていることから、その領域内にマイクロフォン、スピーカ、コントローラ等よりなる消音装置を複数組設置する必要があると考えられるが、単に設備を増設して空間に配置することは多額の費用を必要とする点からも現実的でない。
【0022】
一般の3次元空間においては、このような困難性、問題点を有すると考えられるが、本発明の対象として挙げた、エンジン発電設備、コジェネレーション設備等の設備の騒音は発生源が特定できることが多く、また複数の発生源が互いに干渉することが少ないため前述の伝播方向を特定することが比較的容易となる。
【0023】
更に、理想的なモデルで考察すれば、音源からの騒音は音源を中心として球面状に放射されるため、同一球面上においては騒音の強度と位相は同一であると考えられる。従って、1組のマイクロフォン2,4、コントローラ5及び増幅器6に対して、スピーカ3のみを消音すべき空間領域に、例えば騒音の音響伝達特性が略同一となる位置に複数台配置した構成で、3次元空間において消音を制御することが可能となる。
【0024】
尚、実際に能動消音装置を構成する際にはマイクロフォン2,4は複数台設置してその中から消音制御のために適切なものを選択して使用するようにしても良く、また複数台のマイクロフォン2,4からの信号を例えば加算、平均等の演算を行い、その結果を用いて制御するように構成しても良い。また、これらを組み合わせて用いても良い。さらに、3次元空間を複数のブロックに分割し、各ブロック毎に本発明の構成の消音装置を設置するように構成しても良い。
【0025】
図2は本発明の能動消音装置の構成例を示す図である。
【0026】
前述の消音原理に基づいて、本発明の能動消音装置は参照信号用マイクロフォン2、複数のスピーカ3、評価用マイクロフォン4、コントローラ5、複数の増幅器6及びコントローラ5に対して運転開始、運転終了を指令するための操作装置であるオペレータコンソール7で構成されている。
【0027】
尚、増幅器6を複数設けたのは、一台の増幅器6で処理できるスピーカ3の台数に制限があるためであり、必要とするスピーカ3の台数に対応して必要な数量が決定される。
【0028】
次に、各機器間の信号授受について説明する。
【0029】
図3は能動消音装置の信号の接続を示す回路ブロック図である。
【0030】
最初にコントローラ5と各機器との信号の接続内容について説明する。
【0031】
参照信号用マイクロフォン2で検出した騒音信号8は、増幅部10で所定のレベルに調整され、エイリアシングフィルタ11で高調波成分がカットされた後、A/D変換部12を介して演算処理部13に入力される。
【0032】
評価用マイクロフォン4で検出した騒音信号9も、前記参照信号用マイクロフォン2で検出した騒音信号8と同様に処理されて演算処理部13に入力される。
【0033】
ここで、演算処理部13は前述のFIRフィルタ5a等の演算機能などの処理機能を含んだブロックである。
【0034】
演算処理部13はマイクロフォン2,4からの入力信号8,9に基づいて前述の演算動作で生成した消音制御用信号16を、D/A変換部14、スムージングフィルタ15を介して増幅器6に出力すると共に、増幅器6に対してミュート信号17を出力し前記消音制御用信号16の断続を制御する。
【0035】
一方、増幅器6からは後述するアルゴリズムにより増幅器6を含めたスピーカ3が正常に動作しているかどうかの判定結果がステータス信号18として演算処理部13に入力される。これによって、演算処理部13は増幅器6を含めたスピーカ3の状態を監視することができる。
【0036】
そして、オペレータコンソール7からはコントローラ5の消音制御開始・終了等の指示信号20が入力され、演算処理部13はこの指令に基づいて消音制御開始・終了動作を行うと共に、コントローラ5が正常に動作していることを示すステータス信号21を出力する。
【0037】
そして、演算処理部13はこれらの外部機器及び装置の状態をキャラクタジェネレータ22を介してコントローラ5の盤面に設けられた表示装置23に表示する。
【0038】
図4はコントローラ5の盤面の構成を示す図である。
【0039】
コントローラ5の盤面には、状態表示ランプ31、入出力表示装置32、入出力操作釦33及び制御動作操作釦34が設けられている。
【0040】
状態表示ランプ31には、電源入りで点灯する(POWER)表示、コントローラが正常に動作中に点灯する(RUN)表示、消音制御実行中に点灯する(ANCON)表示、ミュート信号出力中に点灯する(MUTE)表示、増幅器が異常の時に点灯する(AMPER)表示が設けられている。
【0041】
そして、入出力表示装置32にはマイク、スピーカの信号レベル、異常の状態の詳細情報などが表示されるとともに、コントローラ5が消音制御動作を行うための例えばFIRフィルタ5aのパラメータを設定しまた表示することもできる。
【0042】
入出力操作釦33には、この入出力装置32の表示メニューを選択する(MENU)釦、データの確定を入力する(SET)釦及び入力数値の変更を行う(UP/DOWN)釦が備えられている。
【0043】
制御動作操作釦34としては、消音制御実行を操作する(ANCON)釦、増幅器への出力停止を操作する(MUTE)釦及び装置をリセットする(RESET)釦等が備わっている。
【0044】
続いて、図3を参照して増幅器6を含めたスピーカの異常判定方法を説明する。
【0045】
増幅器6は、消音制御用信号16を増幅する増幅部25、増幅部25とスピーカ3の電流・電圧等から異常の有無を判断する判定部26、この判定部26の結果に基づいてコントローラ5に判定結果であるステータス信号18を出力するステータス監視部29で構成されている。
【0046】
そして、判定部26には増幅部25の回路電源電圧信号27、スピーカ3の電流信号28及びミュート信号17等が入力されている。
【0047】
図5は判定部26の異常判断手順を示すフロー図である。
【0048】
増幅器6には複数の判定部26を備えており、増幅部25にはスピーカが2台接続されているため、以下に説明する異常判断手順はこの構成に基づいたものである。
【0049】
先ず判定部26は装置電源が入っていることを確認(S1)した後、ミュート信号が入力されていないことをチェックする(S2)。
【0050】
続いて、増幅部25の回路電源電圧信号27が正常かどうかを調べる(S3)。
【0051】
回路電源電圧信号27が所定値以下の電圧である場合は増幅部25に異常が発生しているものと判断し、増幅部25の異常を示す(赤)ランプを点灯する(S4)。そして、ステータス監視部29に対して異常を示すステータスをセットして出力する(S5)。
【0052】
回路電源電圧信号27が所定値以上の電圧である場合は増幅部25は正常と判断し、増幅部25の正常を示す(緑)ランプを点灯する(S6)。そして、ステータス監視部29に対して異常を示すステータスをリセットして出力する。
【0053】
続いて、No.1スピーカ3aが増幅部25に接続されているかどうかを調べる(S7)。接続されているかどうかは、例えば本装置の操作者が設定した接続有無のディップスイッチを読み取って判断するように構成している。
【0054】
接続されている場合は、No.1スピーカ3aに流れる電流が正常かどうかを電流検出信号28で調べる(S8)。
【0055】
所定値以下の電流検出信号28である場合はNo.1スピーカ3aに異常が発生しているものと判断し、No.1スピーカ3aの異常を示す(赤)ランプを点灯する(S9)。そして、ステータス監視部29に対して異常を示すステータスをセットして出力する(S10)。
【0056】
所定値以上の電流検出信号28である場合はNo.1スピーカ3aは正常と判断し、No.1スピーカ3aの正常を示す(緑)ランプを点灯する(S11)。そして、ステータス監視部29に対して異常を示すステータスをリセットして出力する。
【0057】
No.1スピーカ3aが増幅部25に接続されていない場合は、No.1スピーカ3aの正常を示す(緑)ランプ及び異常を示す(赤)ランプを消灯する(S12)。そして、ステータス監視部29に対して異常を示すステータスをリセットして出力する。
【0058】
No.2スピーカ3bが正常かどうかの判断も、No.1スピーカ3aと同様のフローで実施する(S13〜S18)。
【0059】
図6はステータス監視部29の動作を示すタイムチャートである。
【0060】
図中横軸は時間軸であり、左から右に時間が経過する。そして縦方向に引かれた点線で示される時点はステータス監視部29が判定部26からのステータスを読み取る時点を表している。従って、点線の周期がサンプリング周期に相当する。
【0061】
ステータス監視部29は判定部26からのステータス信号が連続してn個(図では2個)以上連続して同じ状態であれば、その状態をステータスが確定したものとして処理する。
【0062】
例えば、図中サンプリング番号5、6では連続して異常となっているため、サンプリング番号6の時点で異常が確定している。この異常状態はサンプリング番号7時点での1度だけの正常では復帰動作を行わずに継続し、サンプリング番号9、10において連続して正常となっている時点で正常が確定する。
【0063】
ステータス監視部29はこのようにして処理したステータス確定データをステータス信号18としてコントローラ5に出力する。
【0064】
図7は増幅器6の盤面の構成を示す図である。
【0065】
増幅器6の盤面には、状態表示ランプ37、増幅設定器38及びステータス表示ランプ39が備えられている。
【0066】
状態表示ランプ37には、電源入りで点灯する(POWER)表示、コントローラ5からの入力信号が低いときに点灯する(LOW)表示、ミュート信号入力中に点灯する(MUTE)表示及び増幅器が異常を検出したときに点灯する(ERROR)表示が設けられている。
【0067】
増幅設定器38には、増幅部25に接続されるスピーカ3毎に出力を調整できるように調整用のボリュームが備えられている。
【0068】
ステータス表示ランプ39には、増幅部25(AMP1/AMP2)が正常か異常かを表す(RUN/ERROR)表示及びスピーカ3(SP1/SP2/SP3/SP4)が正常か異常かを表す(RUN/ERROR)表示が設けられている。
【0069】
以上の構成によって、異常が発生した場合であっても直ちにスピーカ3、増幅部25の内のいずれの機器が異常かを特定することができるため、安定した消音動作を維持することが可能である。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、3次元空間において能動消音技術を適用することができ、またその際にはスピーカのみを増設すれば良いように構成しているためその消音装置を安価に構成することができる。
【0071】
また、スピーカと増幅部の異常を検出し異常が発生した機器を表示することができるため、故障に対しての早期対応が可能となり、安定した消音動作を担保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の能動消音装置の動作を説明する図。
【図2】本発明の能動消音装置の構成例を示す図。
【図3】能動消音装置の信号の接続を示す回路ブロック図。
【図4】コントローラの盤面の構成を示す図。
【図5】異常判断手順を示すフロー図。
【図6】ステータス監視部の動作を示すタイムチャート。
【図7】増幅器の盤面の構成を示す図。
【図8】従来の能動消音装置の構成を示す図。
【符号の説明】
1…音源
2…参照信号用マイクロフォン
3…スピーカ
4…評価用マイクロフォン
5…コントローラ
6…増幅器
8…騒音信号
9…騒音信号
16…消音制御用信号
26…判定部
27…回路電源電圧信号
28…電流検出信号
32…入出力表示装置
Claims (2)
- 音源から発生する騒音の伝播経路に設けられた第1の受音装置と、
前記騒音の伝播経路において、前記第1の受音装置よりも下流側の位置に設けられ前記騒音に対する干渉音を出力する複数の発音装置と、
前記騒音の伝播経路において、前記発音装置よりも下流側の位置に設けられた第2の受音装置と、
前記第1の受音装置の検出信号と前記第2の受音装置の検出信号とに基づいて演算加工した制御信号を生成する制御信号生成装置と、
前記演算加工された制御信号を増幅して前記複数の発音装置に同時に供給し、前記干渉音を出力させる信号増幅供給装置と
を有し、
前記信号増幅供給装置は、
前記演算加工された制御信号を増幅する信号増幅装置に供給される電源の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記複数の発音装置に供給される増幅された制御信号の電流を検出する電流検出装置と、
前記検出した電源電圧に基づいて、前記電源電圧が第1の所定値以下である場合は前記信号増幅装置が異常と判定して異常を示すランプを点灯し、前記電源電圧が第1の所定値以上である場合は前記信号増幅装置が正常と判定して正常を示すランプを点灯し、前記信号増幅装置が正常であると判定した場合でかつ前記発音装置が接続されている場合に、前記検出した電流が第2の所定値以下の場合は前記発音装置が異常と判定して異常を示すランプを点灯し、前記検出した電流が第2の所定値以上の場合は前記発音装置が正常と判定して正常を示すランプを点灯し、前記信号増幅装置が正常であると判定した場合でかつ前記発音装置が接続されていない場合は前記発音装置の正常及び異常を示すランプを消灯する判定装置と
を備え、
前記判定装置は、周期毎に検出した前記電源電圧と前記電流とに基づいて異常の有無を判定し、同じ判定結果が所定回数継続したことで当該判定結果を確定することを特徴とする能動消音装置。 - 請求項1記載の能動消音装置において、
前記制御信号生成装置は、前記第1の受音装置の検出信号値、前記第2の受音装置の検出信号値、前記発音装置に供給される制御信号の値及び異常が発生した前記信号増幅供給装置を特定する情報を表示する入出力表示装置を備えたことを特徴とする能動消音装置。
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