JP4110043B2

JP4110043B2 - 能動消音装置

Info

Publication number: JP4110043B2
Application number: JP2003153369A
Authority: JP
Inventors: 明彦江波戸; 肇工藤; 義之佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004354769A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、騒音源等の低減対象音発生源から発生した騒音を低減するための能動消音装置に関し、特に振幅・位相特性が無相関分布を呈する面音源や、開口部からの放射音に好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
振幅・位相特性が無相関分布を呈する面音源に対する３次元空間の能動消音方法として、複数のマイクとスピーカ（付加音源）を使い、局所的に消音するものは知られている。しかしながら、発生源から全域を消音するものは知られていない。なお、面音源がダクト開口部で観測できるケースにおいては、ダクト内部に仕切り板を挿入し、各仕切内部で音が平面波になるように仕切り間隔を調整することで音源分布を点音源群に変換することで、能動制御可能としたものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３０３１１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した能動消音方法であると次のような問題があった。すなわち、空間全域の消音を行うためには、各仕切部毎の音圧、位相計測が必要な上に、これに基づきエラーマイク（適応制御で用いる制御マイク）を用いて、このマイク位置の最適化を図る計算が必要となる。つまり、全域消音を導くための最適評価関数にあたる音響パワーはマイク位置（音圧最小点）の関数になるからである。
【０００６】
そこで本発明は、低減対象音源の音圧や位相計測をすることなく、かつ、エラーマイクを使用することなく、振幅・位相特性が無相関分布を呈する面音源に対してもリアルタイムで３次元空間の全域消音を行うことができる能動消音装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【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は次のように構成されている。
【０００９】
低減対象音源から発せられた低減対象音を低減する能動消音装置において、前記低減対象音源にその入口をそれぞれ対向させて配置された複数の通気ダクトと、前記通気ダクト内部にそれぞれ配置された音圧検出用マイクと、前記通気ダクト出口側に配置された複数の付加音源と、前記付加音源同士の距離で決まる固定係数算出部と、前記通気ダクトと前記付加音源との距離及び前記音圧検出用マイクからの音圧に基づいて変動係数を算出する変動係数算出部と、前記固定係数及び前記変動係数に基づいて、前記通気ダクト出口からの放射音の音響パワーを最小とするように前記付加音源を駆動する振幅・位相算出部とを備え、前記通気ダクト及び前記音圧検出用マイクの数をＭ、前記付加音源の数をＮ、ｉ番目とｊ番目の付加音源間の距離をｒ_ＳｉＳｊ、ｊ番目の騒音源とｉ番目の付加音源間の距離をｒ_ＰｊＳｉ、純虚数をｖ、角周波数をω、空気密度をρ、波数をｋ、ｉ番目の音圧検出用マイクからｉ番目の通気ダクト出口までの伝達関数をＣｉ、ｉ番目の付加音源の出力特性をＧｉ、マトリクスＡの要素をａ_ｉｊ、ベクトルｂの要素をｂ’_ｉ、前記音圧検出用マイク出力信号に伝達関数Ｃｉ／Ｇｉを乗じた信号をＸｊ、前記付加音源の最適振幅をｑ_{ｓ，ｏｐｔ}としたときに、
【数２】

ｑ_{ｓ，ｏｐｔ}＝−Ａ^−１ｂ〜（３）
を満たすものであることを特徴とする。
【００１１】
【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を示す図である。能動消音装置１０は、騒音源Ｅから発生した騒音に付加音を干渉させることで受音空間Ｌにおける音圧レベルを低減しようとするものである。能動消音装置１０は、騒音源Ｅ付近に設置された音響フィルタユニット２０と、この音響フィルタユニット２０の各部を制御する制御部１００とを備えている。なお、図中Ｅは騒音源（低減対象音源）、Ｐは仮想騒音源を示している。
【００１２】
音響フィルタユニット２０は、マトリクス状に配置されたＭ個の通気ダクト３０と、これら通気ダクト３０の内部であってそれぞれの騒音源Ｅ側に配置されたＭ個の音圧検出用マイク４０と、通気ダクト３０の受音空間Ｌ側に配置され付加音を発生するＮ個のスピーカ５０とを備えている。なお、Ｎは２以上Ｍ以下に設定されている。
【００１３】
通気ダクト３０は、その断面寸法（長辺）が騒音源Ｅからの騒音の半波長未満、また、その奥行き寸法（音の進行方向）が騒音の半波長以上となるように設定されている。なお、このように設定されていると、通気ダクト３０に入射した騒音は振幅・位相が無相関の放射特性をもった騒音源Ｅからの騒音は、通気ダクト３０内部で平面波伝播し、各通気ダクト３０の出口では点音源の放射として近似することが可能になる。また、音圧検出用マイク４０の出力後段には、後述するように時間ずれの補正を行うフィルタが設けられている。
【００１４】
制御部１００は、各通気ダクト３０と各スピーカ５０との距離及びＭ個の音圧検出用マイク４０からの各音圧レベルに基づいて変動係数を算出する変動係数算出部１０１と、Ｎ個のスピーカ５０同士の距離で決まる固定係数を記憶する固定係数記憶部１０２と、固定係数と変動係数とに基づいてスピーカ５０による付加音の振幅・位相を算出する振幅・位相算出部１０３とを備えている。振幅・位相算出部１０３では、変動係数算出部１０１の計算をリアルタイムで処理することにより各通気ダクト３０から放射した音の音響パワーを最小とするような演算が行われる。
【００１５】
このように構成された能動消音装置１０では、次のようにして消音が行われる。すなわち、騒音源Ｅからの騒音は音響フィルタユニット２０の各通気ダクト３０内に入る。各通気ダクト３０内に配置された音圧検出用マイク４０で検出された音圧信号は、変動係数算出部１０１に入力される。変動係数算出部１０１では、変動係数ｂが算出され、振幅・位相算出部１０３に入力される。一方、固定係数記憶部１０２から固定係数Ａが振幅・位相算出部１０３に入力される。
【００１６】
振幅・位相算出部１０３では、変動係数ｂ及び固定係数Ａに基づいて、各通気ダクト３０から放射する放射音を最小とするようなスピーカ５０からの付加音の振幅及び位相を算出し、算出結果に基づいて付加音を発生させる。
【００１７】
次に、能動消音装置１０における付加音の算出方法を説明する。ここで、ｉ番目とｊ番目のスピーカ５０間の距離をｒ_ＳｉＳｊ、ｊ番目の仮想騒音源Ｐとｉ番目のスピーカ５０間の距離をｒ_ＰｊＳｉ、純虚数をｖ、角周波数をω、空気密度をρ、波数をｋ、ｉ番目の音圧検出用マイク４０からｉ番目の通気ダクト３０出口までの伝達関数をＣｉ、ｉ番目の付加音源の出力特性をＧｉ、マトリクスＡの要素をａ_ｉｊ、ベクトルｂの要素をｂ’_ｉ、音圧検出用マイク４０の出力信号に伝達関数Ｃｉ／Ｇｉを乗じた信号をＸｊ、スピーカ５０の最適振幅をｑ _{ｓ，ｏｐｔ}とする。
【００１８】
付加音の振幅・位相は通気ダクト３０への入射の仕方や騒音源Ｅ自体の特性に影響され、必ずしもＭ個全て一致しているとは限らないものの、この音響フィルタユニット２０により、騒音源特性は複素振幅の異なるＭ個の仮想騒音源Ｐによる離散点音源群に変換される。
【００１９】
Ｍ個の仮想騒音源Ｐからの騒音とＮ個のスピーカ５０からの付加音からなる全音響パワーＰ_ｗｔを次のように示すことができる。なお、ｑ _Ｓはスピーカ５０の複素振幅（体積速度）ベクトル、ｑ _ｐは仮想騒音源Ｐの複素振幅（体積速度）ベクトル，ｂ，ｃも同様に複素ベクトル、Ａ，Ｄはマトリクスを示している。さらに、Ｒｅは複素実部、Ｈは共役転置を示している。
【００２０】
Ｐ_ｗｔ＝ｑ _Ｓ ^ＨＡｑ _Ｓ＋ｂ ^Ｈｑ _s＋ｑ _Ｓ ^Ｈｃ+ｑ _ｐ ^ＨＤｑ _ｐ〜（４）
ｑ _Ｓ ^Ｔ＝（ｑ_Ｓ１ｑ_Ｓ２ … ｑ_Ｓｎ）〜（５）
ｂ ^Ｔ＝（ｂ_１ｂ_２ … ｂ_ｎ）〜（６）
ｃ ^Ｔ＝（ｃ_１ｃ_２ … ｃ_ｎ）〜（７）
なお、式（４）の第１項は付加音源だけ単独で鳴らしたときの音響パワー、第４項は騒音源だけ単独で鳴らしたときの音響パワー、第２項及び第３項は仮想騒音源Ｐと付加音源５０間の干渉により生ずる音響パワーに相当する。
【００２１】
また、マトリクスＡの要素ａ_ｉｊ、ベクトルｂ，ｃの要素ｂ_ｉ，ｃ_ｉ及びマトリクスＤの要素ｄ_ｉｊは次式のように記述できる。
【００２２】
【数３】

【００２３】
したがって、これらの式（８）〜（１１）を通気ダクト３０の出口放射音に適用すると、この放射音響パワーを最小とするスピーカ５０の最適振幅は次式のように求まる。
【００２４】
ｑ _{ｓ，ｏｐｔ}＝−Ａ ^−１ｂ〜（１２）
ここで、ベクトルｂの要素ｂｉは次のようにして求められる。
【００２５】
【数４】

【００２６】
一方、仮想騒音源ｑ _ｐの複素振幅自体は一般的には計測できないことから、このままではスピーカ５０の最適振幅を求めることができない。このため、全音響パワーＰ_ｗｔは仮想騒音源ｑ _ｐの複素振幅に対するスピーカ５０の複素振幅比の関数でも表現できることに着目し、適応制御のエラーマイクをこの受音空間Ｌに配し、このエラーマイクで検出される騒音源Ｅからの騒音とスピーカ５０からの付加音との合成音圧を最小にすることで、仮想騒音源ｑ _ｐの複素振幅に対するスピーカ５０の複素振幅比を求め、全音響パワーの最小化を図ることが考えられる。
【００２７】
しかしながら、この方法ではエラーマイクを最適配置して、はじめて音響パワーが最小になるものであることから、エラーマイクで検出される合成音圧が最小になっても、必ずしも、全音響パワーＰ_ｗｔが最小になるとは限らない。したがって、騒音源位置の同定を含めてエンジニアリングが必要になる。
【００２８】
例えば、通気ダクト３０の出口での複素振幅が仮想騒音源ｑ _ｐの複素振幅に相当することから、Ｍ個すべての特性を事前に調査し、これを入力条件にして、エラーマイクの最適配置を計算で求めることになる。このため、このエラーマイクの配置も、Ｍ個すべての音源調査結果で決めることになり、非効率的で、かつ、拡張性に欠けるという問題を生じてしまう。
【００２９】
そこで、本能動消音装置１０では仮想騒音源ｑ _ｐの複素振幅を計測する代わりに、Ｍ個の音圧検出用マイク４０を予め通気ダクト３０内部に搭載し、リアルタイムで計測している。なお、騒音が通気ダクト３０内部を伝播して通気ダクト３０出口から外部に放射されるまでの時間と、音圧検出用マイク４０で通気ダクト３０内部の騒音を検出し、スピーカ５０で放射するまでの時間が一致しなければ、通気ダクト３０出口で仮想騒音源Ｐからの騒音（通気ダクト放射音）とスピーカ５０からの付加音（スピーカ放射音）とを干渉させることができず消音を行うことができない。このため、この時間ずれの補正を行うために、図２に示すようにｉ番目のマイクから通気ダクト出口までの伝達関数をＣｉとし、スピーカ特性をＧｉとした場合のＣｉ／Ｇｉの伝達関数を音圧検出用マイク４０出力後段に設けフィルタリング処理を行っている。このフィルタリング処理された値をＸｉとすると、次式となる。
【００３０】
【数５】

【００３１】
ここで、ｊ番目の仮想騒音源Ｐとｉ番目のスピーカ５０間の距離ｒ_ＰｊＳｉは音響フィルタユニット２０を設計した時点で決まることから事前に計算可能である。従来は、騒音源Ｅの位置に関しても調査しなければ知ることはできない。マトリクスＡの要素にあたるスピーカ５０の距離も同様であり、予め各通気ダクト３０（音源の位置）がわかっていることから、設計段階でスピーカ５０を設ける位置も見積もれ、事前に付加音源間距離も把握できる。このようにして、逆行列計算を行い、スピーカ５０からの付加音の最適振幅・位相を求めることが可能となる。
【００３２】
上述したように、本実施の形態に係る能動消音装置１０によれば、騒音源Ｅにおける騒音の音圧や位相計測をすることなく、かつ、エラーマイクを使用することなく、振幅・位相特性が無相関分布を呈する面音源に対してもリアルタイムで３次元空間の全域消音を行うことが可能となる。
【００３３】
次に、通気ダクト３０とスピーカ５０との数が一致し、かつ、スピーカ５０を通気ダクト３０出口外側に設置するとともに、放射面の向きを外向きに設置した場合について説明する。
【００３４】
前述の全音響パワー理論で扱うスピーカ５０は点音源であることが条件とされているが、点音源自体は音の進行方向が音源まわりで全て一様な無指向性音源である。しかしながら、一般的なスピーカ５０は何らかの指向性を有しており、付加音の進行方向は周囲均一ではない。仮にスピーカ５０を通気ダクト３０出口外側に設置しても、放射面の向きが通気ダクト３０に対向させた場合は、その音の一部は通気ダクト３０内部にも進入し、共鳴や音圧検出用マイク４０が検知しハウリングの原因にもなる。そこで、これらを防止するために、スピーカ５０の放射面は通気ダクト３０の出口に対して外向きに設置することが好ましい。
【００３５】
また、スピーカ５０の個数に関しては、全音響パワーを最小するためには必ずしも、仮想騒音源Ｐの数と一致される必要はないものの、同じ個数、すなわち通気ダクト３０毎に１個のスピーカ５０を設置することにすれば、途中で低減対象である騒音源Ｅの規模が変わったことに伴い、通気ダクト３０の数を増設して音響フィルタユニット２０を拡張しても、はじめからスピーカ５０の個数の最適計算もしなくて済み、設計上の手間が省けるというメリットがある。
【００３６】
なお、仮にＭ個のスピーカ５０のうち、結果的に不要なスピーカ５０があっても、この場合は自動的にこのスピーカ５０からの付加音の振幅は小さくなることから、能動消音装置１０における振幅・位相算出部１０３におけるアルゴリズムを変えることなく、消音が可能である。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、低減対象音源の音圧や位相計測をすることなく、かつ、エラーマイクを使用することなく、振幅・位相特性が無相関分布を呈する面音源に対してもリアルタイムで３次元空間の全域消音を行うことが可能となる。
【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構成を示す図。
【図２】同能動消音装置に組み込まれた音響フィルタユニットを示す要部正面図。
【図３】同能動消音装置による消音原理を示す説明図。
【符号の説明】
１０…能動消音装置、２０…音響フィルタユニット、３０…通気ダクト、４０…音圧検出用マイク、５０…スピーカ、１００…制御部、１０１…変動係数算出部、１０２…固定係数記憶部、１０３…振幅・位相算出部。

Claims

低減対象音源から発せられた低減対象音を低減する能動消音装置において、
前記低減対象音源にその入口をそれぞれ対向させて配置された複数の通気ダクトと、
前記通気ダクト内部にそれぞれ配置された音圧検出用マイクと、
前記通気ダクト出口側に配置された複数の付加音源と、
前記付加音源同士の距離で決まる固定係数算出部と、
前記通気ダクトと前記付加音源との距離及び前記音圧検出用マイクからの音圧に基づいて変動係数を算出する変動係数算出部と、
前記固定係数及び前記変動係数に基づいて、前記通気ダクト出口からの放射音の音響パワーを最小とするように前記付加音源を駆動する振幅・位相算出部とを備え、
前記通気ダクト及び前記音圧検出用マイクの数をＭ、前記付加音源の数をＮ、ｉ番目とｊ番目の付加音源間の距離をｒ_ＳｉＳｊ、ｊ番目の騒音源とｉ番目の付加音源間の距離をｒ_ＰｊＳｉ、純虚数をｖ、角周波数をω、空気密度をρ、波数をｋ、ｉ番目の音圧検出用マイクからｉ番目の通気ダクト出口までの伝達関数をＣｉ、ｉ番目の付加音源の出力特性をＧｉ、マトリクスＡの要素をａ_ｉｊ、ベクトルｂの要素をｂ’_ｉ、前記音圧検出用マイク出力信号に伝達関数Ｃｉ／Ｇｉを乗じた信号をＸｊ、前記付加音源の最適振幅をｑ_{ｓ，ｏｐｔ}としたときに、

ｑ_{ｓ，ｏｐｔ}＝−Ａ^−１ｂ〜（３）
を満たすものであることを特徴とする能動消音装置。