JP4141995B2 - ３次元能動消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、機器の音の低減を行うための消音装置に係り、とりわけ、３次元空間に音を発散させる発電装置等の機器に対する消音に好適な３次元能動消音装置に関する。

発電機エンジンの排気ダクトから放射される騒音のように１次元的に伝播してくる騒音を対象とした能動消音装置は、１次元能動消音装置と呼ばれており、従来から多用されている。

図２１は、従来の１次元能動消音装置を示す概略図である。図２１に示すように、従来の１次元能動消音装置５０は、排気ダクト５１の一端側の音源５２から伝播してくる音に対して、他端側の出口５３での音圧を零にしようとするものである。

１次元能動消音装置５０は、排気ダクト５１の音源５２側に配置され、排気ダクト５１内の音の信号を得る検知用マイクロホン５４と、出口５３側に配置され、同じく排気ダクト５１内の音の信号を得る評価用マイクロホン５５とを有している。

排気ダクト５１内の両マイクロホン５４，５５の間には、付加音を発生させるスピーカ５６が設けられている。また、スピーカ５６の制御のために、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムに基づく適応制御部５７が設けられている。Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、一般の適応制御システムに用いられているアルゴリズムである。

適応制御部５７は、伝達関数補償用フィルタ５８と、固定ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ５９と、アダプティブＦＩＲフィルタ６０とから構成されている。検知用マイクロホン５４の出力信号は、伝達関数補償用フィルタ５８と固定ＦＩＲフィルタ５９に入力するようになっており、評価用マイクロホン５５の出力信号は、アダプティブＦＩＲフィルタ６０に入力するようになっており、固定ＦＩＲフィルタ５９の出力は、スピーカ５６に加わるようになっている。そして、適応制御部５７は、評価用マイクロホン５５の位置で音圧が零になるように、自動的に制御係数を決定するようになっている。

このような１次元能動消音装置５０においては、検知用マイクロホン５４が検知した音に基づいて、スピーカ５６から逆位相の付加音を発生させる。これにより、当該付加音と音源５２から伝播してきた空調ダクト５１内の音とを干渉させ、干渉の結果を評価用マイクロホン５５で評価しながら、評価用マイクロホン５５の配置位置における音圧が零となるようにスピーカ５６からの付加音発生制御を継続する。音圧零の点ができると、音は音響インピーダンスの違いからその点で反射されるため、出口５３の方向には伝播しなくなる。

しかしながら、前述の１次元能動消音装置５０は、空調ダクト５１のように騒音が１次元的に伝播してくる場合に騒音の音圧を付加音との干渉を利用して零にするものであり、３次元的に伝播する騒音には適用できない。

騒音源からの騒音が３次元空間に発散する場合に関しては、機器の騒音全体を低減する方法として、騒音源となっている機器を多くの付加音源で取り囲み、それぞれの付加音源から付加音を発生させることによって、付加音源による取り囲み空間の外部に漏れる騒音をできるだけ小さくする方法が提案されている。このような３次元能動消音装置の従来の構成を図２２に示す。

図２２に示すように、騒音源である機器１１１の周囲には、これから略等距離の取り囲み球面１１２上に複数の付加音源１１３が配置してある。これらの付加音源１１３の近傍には、各々に対して評価用マイクロホン１１４が配置してある。

各評価用マイクロホン１１４には、付加音源１１３を駆動制御する制御部１１５が接続されている。制御部１１５には、機器１１１の発する騒音と相関のある信号、例えば機器１１１がエンジンならばその振動信号などの参照信号が、信号線１１６を介して入力されるようになっている。

制御部１１５は、参照信号に基いて、各評価用マイクロホン１１４での音圧が最小になるような制御を行う。すなわち、制御部１１５は、各評価用マイクロホン１１４で検出する音圧の自乗和が最小となるように、各付加音源１１３の振幅と位相を決定する。

しかしながら、図２２に示すような消音システムでは、それぞれの評価用マイクロホン１１４に多数の付加音源１１３からの音が重畳する。このため、制御部１１５の制御系は、重畳の影響を考慮して構築されなければならず、複雑になる。さらに、付加音源１１３の間隔は、低減しようとする騒音の波長の１／２以内に設定する必要があるため、音源である機器１１から離れたところに取り囲み球面１２を設定すると、付加音源１１３の数が多数必要となるという問題もある。

また、前述のような従来のアクティブ（能動）消音制御では、適宜に設定した評価点位置での音圧が最小になるように制御することができても、全音響パワーが最小になっていない場合があり、３次元空間全体で機器の騒音を低減するような制御は未だに実現されていないのが実情である。

一方、吸音や遮へい等のパッシブ消音制御では、例えば発電装置の騒音等、音の主成分が低音の場合の消音効果が小さい。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、比較的簡単な制御構成で顕著な消音効果を奏することのできる３次元能動消音装置を提供することを目的とする。

本発明は、筐体内部に存在する騒音源から発せられる音と相関のある信号を検出する計測部と、前記騒音源の周囲に配置されたＮ個の付加音源と、所定の位置に配置され、当該配置位置における音圧を検出する音圧評価用マイクロホンと、前記音圧評価用マイクロホンが検出する音圧が最小となるように、前記計測部が計測する信号に基づいて、前記騒音源から発せられる音の振幅と異なるように前記付加音源から発せられる音の振幅を制御すると共に前記付加音源から発せられる音の位相を制御する制御回路と、を備えた３次元能動消音装置であって、前記各付加音源は、前記騒音源の中心位置をｘｐ、前記騒音源とｉ番目の付加音源との距離差を（ｘｐ−ｄｉ）（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、前記音の波数をｋ、とした場合に、

を満たす位置関係で配置されていることを特徴とする３次元能動消音装置である。

本発明によれば、Ｎ個の付加音源が前記の式を満たすように配置されることにより、全音響パワーの最小化を図ることができ、結果的に３次元空間全体で機器の音を低減することが可能となる。

本発明は、音源が発電機筐体内部のエンジンや給排気ダクト等、音の主成分が低音の場合に特に有効である。一方、本発明は、例えば小型発電装置のエンジン等、筐体内部に存在しない駆動源に対しても有効である。

計測部が検出する信号としては、例えば、エンジン表面から得られる加速度信号、回転パルス信号、発電機が作る交流出力信号等が用いられ得る。

本件発明者は、シミュレーション実験により、音圧評価用マイクロホンが、音源から音の波長の１／４倍の距離以内に配置されることが好ましいことを知見した。

好ましくは、前記制御回路は、制御係数算出部と制御係数積和演算部とを有するデジタル制御部を有し、前記デジタル制御部により算出される制御係数を時々刻々に更新する。

あるいは、好ましくは、前記制御回路は、第１バンドパスフィルタと位相調整部と振幅調整部とを有するアナログ制御部と、第２バンドパスフィルタとＡＤ／ＤＡ変換部とデジタル回路とを有する音圧モニタ計測部と、を有する。

また、好ましくは、前記音圧評価用マイクロホンは、前記音源から生じる前記音による節以外の領域であって、かつ、前記付加音源によって生じる付加音による節以外の領域に配置されている。

また本発明は、第１音源及び第２音源からの音圧を低減させる３次元能動消音装置であって、第１音源の周囲に配置された第１付加音源と、第２音源の周囲に配置された第２付加音源と、所定の位置に配置され、当該配置位置における音圧を検出する第１音圧評価用マイクロホンと、第２音源の近傍位置に配置され、当該配置位置における音圧を検出する第２音圧評価用マイクロホンと、前記第２音圧評価用マイクロホンが検出する音圧が最小となるように、前記第２付加音源の振幅と位相とを制御する第２制御回路と、前記第１音圧評価用マイクロホンが検出する音圧が最小となるように、前記第１付加音源の振幅と位相とを制御する第１制御回路と、を備えた３次元能動消音装置である。

この場合、好ましくは、第２音圧評価用マイクロホンは、第２音源の近傍位置であって、第２音源と第２付加音源とから略等距離の位置に、特に好ましくは、第２音圧評価用マイクロホンは、第２音源と第２付加音源との略中間位置に配置されている。

また、好ましくは、第２付加音源は、第２音源の周囲に複数個が配置され、第２音源の吹き出し体積速度と、第２付加音源の吸い込み体積速度の総和とが、略等しくなっている。

本発明は、第２音源の音が、第１音源の音に対して、略同一周波数であって振幅及び位相が時間変動する関係にある場合に特に有効である。

以上説明したように、本発明によれば、Ｎ個の付加音源が式（８）を満たすように配置されることにより、全音響パワーを最小化することができ、結果的に３次元空間全体で機器の騒音を低減することが可能となる。

あるいは、本発明によれば、２つの音源が存在する空間において、２段階の消音制御を採用することにより、より優れた消音効果を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による３次元能動消音装置を示す構成概略図である。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の３次元能動消音装置１０は、筐体４内部に存在する騒音源であるエンジン１及び給排気ダクト２から発せられる騒音を消音するために設けられている。

エンジン１には発電機１ｍが接続され、自家発電装置を形成している。この自家発電装置は、筐体４によって取囲まれているが、エンジンの形式を変更することで、定格容量を数ｋＶＡ〜千ｋＶＡまで変更可能である。本実施の形態の場合６０ｋＶＡの自家発電装置を構成しているものとし、エンジン１は、４気筒４サイクル（３０００ｒｐｍ）のエンジンとする。この場合、エンジン騒音の基本周波数は１００Ｈｚである。実測では、１０３Ｈｚと２０６Ｈｚにピークが出現している。

３次元能動消音装置１０は、騒音と相関のある信号、この場合エンジン１表面の加速度信号を検出する計測部５を備えている。また、騒音源であるエンジン１の周囲には、Ｎ個（図１では２個が図示されている）の付加音源、例えばスピーカ３が配置されている。また、筐体４内の所定の位置には、当該配置位置における音圧を検出する音圧評価用マイクロホン６が配置されている。

付加音源３、計測部５及び音圧評価用マイクロホン６には、制御回路７が接続されている。制御回路７は、音圧評価用マイクロホン６が検出する音圧が最小となるように、前記計測部５が計測する信号に基づいて、前記音源１の振幅と異なるように前記付加音源３の振幅を制御すると共に前記付加音源３の位相を制御するようになっている。

各付加音源３は、騒音源であるエンジン１及び給排気ダクト２の騒音中心位置をｘ_p、前記騒音源からの各相対位置をｄ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、前記騒音の波数をｋ、とした場合に、

を満たす位置関係で配置されている。

次に、このような構成よりなる本実施の形態の作用について説明する。

エンジン１が稼動すると、騒音（エンジン音）と相関のある信号が計測部５で検出され、制御回路７に入力される。制御回路７は、計測部５が計測する信号に基づいて付加音源３を稼動させ、評価用マイクロホン６が検出する音圧が最小になるまで、付加音源３の振幅及び位相を調整する。

評価用マイクロホン６は適宜の位置に固定されており、制御回路７による前述の制御方法だけでは、評価用マイクロホン６の設置位置における音圧は最小に制御できても、筐体４内部の全音響パワーが最小になることを担保することはできない。全音響パワーを最小にするには、付加音源３と評価用マイクロホン６の配置の仕方が重要である。本実施の形態では、各付加音源３の配置位置に特別の配慮をすることで、筐体４内部の全音響パワーの最小化を図っている。

筐体４内部の音響パワーを最小にするための、本実施の形態による付加音源３の配置条件について、以下に説明する。

本実施の形態の騒音は、エンジン１のシリンダ部分で局所的に音圧が高く、略同位相で放射されている。従って、騒音源１を点音源としてモデル化することが許される。従って、エンジン騒音の特性は、発電装置筐体４を閉空間とし、その中に１個の点音源が存在する音響モデルとして扱うことができる。

閉空間内部に１個の騒音源１とＮ個の付加音源３が存在する場合（音源はすべて点音源）、閉空間内部の全音響パワーは下式で表される。

式（１）において、ｘ_pは騒音源の位置、θ_pは騒音源の位相、ｑ_pは騒音源の振幅、ｘ_siは付加音源の位置、θ_siは付加音源の位相、ｑ_siは付加音源の振幅、を表している（ｉ＝１，２，…，Ｎ）。また、ωは角周波数、ρは密度、Ｃは音速、Ｖは閉空間の容積、Ｍ_rはモーダルマス、ξ_rはモーダルダンピング、ω_rは固有角周波数、φ_r（） はモード関数、を表している。

式（１）から解るように、音響パワーは各付加音源３の位置ｘ_si、振幅ｑ_si及び位相θ_siにより変化する。

この閉空間内部に１本の評価用マイクロホン６を設置し、制御回路７による適応制御（Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ）によってマイク音圧を最小にした場合、その状態は下式のように表される。

式（２）において、Ｐは音圧、ｘ_mは評価用マイクロホンの位置、を表している。また、Ｚは騒音源及び付加音源から評価用マイクロホンまでの伝播を示す項（関数）であり、ｑは音の強さ（振幅）を表し、それぞれの添え字ｐ、ｓｉは、は、それぞれ騒音源１、ｉ番目の付加音源３を表している。

ここでＮ個の付加音源３が、１つの制御系によって同一の強さの付加音を発生すると仮定すると、その仮定は下式のように表される。

この時、騒音源１と付加音源３の音の強さの比ｑ_s／ｑ_pは、下式のように記述できる。

この関係を式（１）に代入すれば、適応制御時の音響パワーを求めることができる。

さて、付加音源３が同振幅逆相の場合、すなわち、付加音源３がＮ個の場合に

の関係を満たす場合（振幅が１／Ｎで、逆位相。ｅ^jπは−１を意味している）、騒音が２００Ｈｚ以下の低周波数領域であれば、音響パワーをかなり低減できることが知られている。

そこで、式（４）に式（５）の関係を導入することにより、下式の関係を得ることができる。

ここで、本実施の形態の場合、筐体４内部のモード関数（固有モード）は、

とおける。

さらに、Ｎ個の付加音源３は、どれも同相同振幅であることから、騒音源１（点音源としてモデル化）に対して相対位置ｄ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）に配置されるとすれば、式（６）と式（７）とから、

の関係式を得ることができる。この関係式は、例えば｜ｄ_i｜≦１／ｋ＝λ／２π（ｉ＝１，２，…，Ｎ）なるｄ_ｉによって満たされることが確認された。

以上の説明から解るように、式（８）の関係を満たすようにＮ個の付加音源３を配置すれば、筐体４内の全音響パワーを最小化することができる。すなわち、本実施の形態によれば、全音響パワーを最小化することができ、結果的に３次元空間全体で機器の騒音を低減することが可能となる。

なお、２ｍ個の付加音源３を騒音源１（点音源と仮定）から等距離の球面上に略均一な分布で配置すると仮定すると、式（８）の関係は、

のように変形でき、

なる関係が得られる。この関係式は、付加音源３を騒音源１にできるだけ近い位置に配置すべきことを意味している。

さらに計測部５は、騒音と相関のある信号として、エンジン１の表面の加速度信号を計測する他、エンジン１の回転パルス信号や、発電機１ｍによる交流出力信号等を計測してもよい。発電機１ｍによる交流出力信号を計測する場合には、完全に電気的な処理のみで信号が得られるため、加速度信号の計測に比べて装置の耐久性において優れる。

次に、本発明の第２の実施の形態の３次元能動消音装置について図２乃至図４を用いて説明する。図２は、第２の実施の形態の３次元能動消音装置の概略図である。

図２に示すように、本実施の形態の３次元能動消音装置は、筐体４に収容されていない小型発電装置に対して設けられている。また、各付加音源３は、騒音源であるエンジン１の位置をｘ_p、騒音源からの各相対位置をｄ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、騒音の波数をｋ、とした場合に、

を満たす位置関係で配置されている。

また、計測部５’は、発電機１ｍによる交流出力信号を計測し、騒音参照信号を作成するようになっている。

その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態の３次元能動消音装置１と略同様の構成である。第２の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図２の小型発電装置によるエンジン騒音は、図３に示すように、２５Ｈｚから２５Ｈｚ間隔で１１箇所のピークが出現しているものとする。

次に、このような構成よりなる本実施の形態の作用について説明する。

エンジン１が稼動すると、騒音（エンジン音）と相関のある信号が計測部５’で検出され、制御回路７に入力される。制御回路７は、計測部５’が計測する信号に基づいて付加音源３を稼動させ、評価用マイクロホン６が検出する音圧が最小になるまで、付加音源３の振幅及び位相を調整する。

本実施の形態の計測部５’は、発電機１ｍによる交流出力信号を計測する。計測信号は、例えば図４に示すようになる。図４は、発電機１ｍが作った交流出力信号１００Ｖを計測部５’内の変圧器（図示せず）で２Ｖにまで変換した信号のスペクトルである。

図４に示すように、計測部５’が計測する交流出力信号は、基本周波数２５Ｈｚでのピークは識別可能であるが、騒音の他のピーク（図３参照）は識別が困難である。従って、図４の信号を制御回路７による制御にそのまま用いることは好ましくない。

そこで、本実施の形態の計測部５’は、図５に示すように、基本周波数２５Ｈｚの整数倍のピークを持つ電気信号を人工的に作成して、この信号と図４に示す信号とを同期させて（位相特性を合わせて）これを騒音参照信号とする。この信号は、図３に示す実際の騒音信号に極めて近似しており、制御回路７による制御に用いるのに適している。その結果、図６に示すように２５Ｈｚから２５Ｈｚ間隔で１１本のピークはすべて良好に低減した。このような信号処理は、電気的な処理のみによって行われるため、コストがかからず、装置の特別な耐久性を考慮する必要もない。

さて、制御回路７による前述の制御方法だけでは、評価用マイクロホン６の設置位置における音圧は最小に制御できても、小型発電装置周囲の全音響パワーが最小になることを担保することはできない。全音響パワーを最小にするには、付加音源３と評価用マイクロホン６の配置の仕方が重要である。

小型発電装置周囲の音響パワーを最小にするための、本実施の形態による付加音源３の配置条件について、以下に説明する。

本実施の形態の騒音は、エンジン１のシリンダ部分（エンジン１の略中心位置）で局所的に音圧が高く、略同位相で放射されている。従って、騒音源であるエンジン１を点音源としてモデル化することが許される。従って、エンジン騒音の特性は、開放空間の中に１個の点音源が存在する音響モデルとして扱うことができる。

開放空間に１個の騒音源１とＮ個の付加音源３が存在し（音源はすべて点音源）、各付加音源３が騒音源１から等距離の球面上にあって、各付加音源３の振幅及び位相が等しい場合、付加音源３があるときとないときの音響パワーの比ｒは、下式で表される。

式（１２）において、θ_pは騒音源の位相、ｑ_pは騒音源の振幅、θ_sは付加音源の位相、ｑ_sは付加音源の振幅、ｄ_si-sjは２つの付加音源間の距離、ｄ_p-sjは騒音源と付加音源との間の距離、を表している（ｉ、ｊ＝１，２，…，Ｎ）。

式（１２）から解るように、音響パワーは付加音源３の位置、振幅ｑ_s及び位相θ_sにより変化する。

この開放空間に１本の評価用マイクロホン６を設置し、制御回路７による適応制御（Ｆｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ）によってマイク音圧を最小にした場合、その状態は下式のように表される。

式（２）において、Ｐは音圧、ｘ_mは評価用マイクロホンの位置、を表している。また、Ｚは騒音源及び付加音源から評価用マイクロホンまでの伝播を示す項（関数）であり、ｑは音の強さ（振幅）を表し、それぞれの添え字ｐ、ｓｉは、それぞれ騒音源１、ｉ番目の付加音源３を表している。

ここでＮ個の付加音源３が、１つの制御系によって付加音を発生すると仮定すると、騒音源１と付加音源３の音の強さの比ｑ_s／ｑ_pは、下式のように記述できる。

式（１３）において、ｈ_pは騒音源１から評価用マイクロホン６までの距離、ｈ_siはｉ番目の付加音源３から評価用マイクロホン６までの距離、を表している。この関係を式（１）に代入すれば、適応制御時の音響パワーを求めることができる。

さて、付加音源３が同振幅逆相の場合、すなわち、付加音源３がＮ個の場合に

の関係を満たす場合（振幅が１／Ｎで、逆位相。ｅ^jπは−１を意味している）、騒音が２００Ｈｚ以下の低周波数領域であれば、音響パワーをかなり低減できることが知られている。従って、式（５）の振幅比を１／Ｎとする条件を考えると、ｈ_p≒ｈ_siなる関係が得られる。

ｈ_p≒ｈ_siなる関係を満たす付加音源３及び評価用マイクロホン６の配置例を、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。図７（ａ）に示す配置例（ｄ_p-si＝ｄ）におけるパラメータｋｄと全音響パワー（低下量）との関係について、付加音源３の数（Ｎ）を１〜４とした結果を、図８に示す。この結果、本実施の形態のようにｋｄ_p-si（＝ｋ｜ｄ_i｜）≦π／２（ｉ＝１，２，…，Ｎ）を満たせば、全音響パワーを低減できることが解る。

なお、付加音源３及び評価用マイクロホン６を騒音源１と同一平面に配置する場合には、図９に示す配置例が最適となることが知見されている。

以上の説明から解るように、式（１１）の関係を満たすようにＮ個の付加音源３を配置すれば、小型発電装置周囲の全音響パワーを最小化することができる。すなわち、本実施の形態によれば、全音響パワーを最小化することができ、結果的に３次元空間全体で機器の騒音を低減することが可能となる。

次に、本発明の第３の実施の形態の３次元能動消音装置について図１０を用いて説明する。図１０は、第３の実施の形態の３次元能動消音装置の構成概略図である。

図１０に示すように、本実施の形態の３次元能動消音装置は、制御回路７が、制御係数算出部７ａと制御係数積和演算部７ｂとを有するデジタル制御部７ｄを有し、時々刻々に制御係数を更新するようになっている。

その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態の３次元能動消音装置１０と略同様の構成である。第３の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態によれば、時々刻々適応的に制御係数を更新することにより、発電機筐体４内部あるいは外部の温度変化や、エンジンｌの脈動、負荷変動による音圧変化などの経時変化等に対して、制御を効果的に追従させることができる。結果的に、評価用マイクロホン６が検出する音圧を最小にする制御及び全音響パワーを最小にする制御が安定する。

なお、本実施の形態の特徴は、第２の実施の形態の３次元消音装置１０においても採用可能である。

次に、本発明の第４の実施の形態の３次元能動消音装置について図１１を用いて説明する。図１１は、第４の実施の形態の３次元能動消音装置の構成概略図である。

図１１に示すように、本実施の形態の３次元能動消音装置は、制御回路７が、第１バンドパスフィルタ２１と位相調整部２２と振幅調整部２３とを有するアナログ制御部７ｇと、第２バンドパスフィルタ２４と信号切替部２５とＡＤ／ＤＡ変換部２６とデジタル回路２７とを有する音圧モニタ計測部７ｈと、を有している。

その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態の３次元能動消音装置１０と略同様の構成である。第４の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態の制御回路７は、計測部５からの出力信号を第１バンドパスフィルタ２１によってフィルタ処理し、位相調整部２２で位相を０から１８０度まで進ませ、あるいは、位相を０から１８０度まで遅らせる。

一方、制御回路７は、評価用マイクロホン６の音圧信号を常にモニタし、第２バンドパスフィルタ２４によってフィルタ処理し、信号切替部２５及びＡＤ／ＤＡ変換部２６を介してデジタル回路２７に送る。

デジタル回路２７は、モニタするマイクロホン音圧が低下しきるまで位相を調整するよう、位相調整部２２に指令信号を送る。最小音圧が確認されると、位相が固定され、さらに音圧が低下するまで振幅調整部２３が振幅レベル調整を行う。デジタル回路２７は、モニタするマイクロホン音圧がさらに低下しきるまで振幅を調整するよう、振幅調整部２３に指令信号を送る。

制御回路７は、対象とする周波数毎にこの調整を繰り返し、最後に最適位相及び最適振幅の音を合成して、付加音源３から出力する。

本実施の形態によれば、制御回路７が、アナログ制御部７ｇと音圧モニタ計測部７ｈを有し、最適出力となるまで付加音源３の振幅及び位相の調整を自動的に継続するため、発電機筐体４内部あるいは外部の温度変化や、エンジンの脈動、負荷変動による音圧変化等の経時変化等に対して、制御を効果的に追従させることができる。結果的に、評価用マイクロホン６が検出する音圧を最小にする制御及び全音響パワーを最小にする制御が安定する。

なお、本実施の形態の特徴は、第２の実施の形態の３次元消音装置１０においても採用可能である。

次に、本発明の第５の実施の形態の３次元能動消音装置について図１２を用いて説明する。図１２は、第５の実施の形態の３次元能動消音装置の音圧評価用マイクロホン６の配置位置を示す図である。

図１２に示すように、本実施の形態の３次元能動消音装置は、音圧評価用マイクロホン６が、騒音源であるエンジン１から生じる騒音による筐体内部の音圧の節以外の領域であって、かつ、付加音源３によって生じる付加音による筐体内部の音圧の節以外の領域に配置されている。

その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態の３次元能動消音装置１０と略同様の構成である。第５の実施の形態において、図１に示す第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、評価用マイクロホン６の配置位置について特別な配慮を行っている。これは、評価用マイクロホン６を、付加音源３だけを鳴らしたときにできる節（音圧最小領域）に置くと式（４）の分母が零となって制御が発散し、騒音源１だけを鳴らしたときにできる節に置くと式（４）の分子が零となって制御しない状態となることを考慮したものである。

本実施の形態において、式（１）による全音響パワーＷを最小にする付加音源３の位相θ_si及び振幅ｑ_siは、理論的には下式を満たしているはずである。

従って式（１４）からｑ_si／ｑ_pを求め、これを式（１）に代入することで最小の全音響パワーが得られる。全音響パワーの理論上の最小解を、図１３に示す。

図１３の値は、理論上の最小値であり、制御回路７による適応制御によって全ての周波数でパワー最小化を実現させることはできない。しかし、ある特定の周波数だけを対象にすれば、図１３の理論値に近づけることが可能である。

例えば、本実施の形態における騒音は、１０３Ｈｚの周期音成分にピークがあるため、この周波数を消音対象とすることでオーバーオールの低騒音化が図れる。この周波数を消音対象として制御した場合の周波数と音響パワーとの関係を、図１４に示す。

以上のように、本実施の形態によれば、所定の騒音周波数に対して、全音響パワーＷを理論上の最小値に近づけることが可能である。

なお、評価用マイクロホン６の位置を前記条件を満たす配置領域内で変えて音響パワーＷを計算していくと、評価用マイクロホン６を筐体４の角部、特に角からの距離ｄが騒音波長λに対して

となる領域に配置する場合に音響パワーＷが効果的に最小値に近づくことが知見された。

ところで、以上の各実施の形態において、消音対象とした発電装置は、いずれも給排気ダクト２による騒音よりもエンジン１による騒音の方が顕著に卓越しているとして、騒音源をエンジン中心の点音源として扱っている。もし給排気ダクト２の騒音が大きく、無視できない場合には、あらたに音源を追加させたモデルにおいて、音響パワーを最小とする最適配置問題を解くことで、目的を達成することができる。

次に、本発明の第６の実施の形態の３次元能動消音装置について図１５を用いて説明する。

本実施の形態の３次元能動消音装置は、付加音源３の配置が、第２の実施の形態に関して説明した

の範囲内の

なる関係を満たすと共に、図１５に示すように、騒音源１及び各付加音源３が同一平面内に配置され、駆動源１から延びる当該平面に対する垂線上に評価用マイクロホン６が配置されているものとする。

図１５に示すように、音圧評価用マイクロホン６と騒音源１との間の距離をｈｐとし、音圧評価用マイクロホン６と各付加音源３との間の距離をｈｓとすると、騒音源１に対する付加音源３の位相差θは、下式のように表せる。

本実施の形態においては、式（１７）から解るように、ｈｐ＝ｄ＝λ／４とした場合には、音響パワー最小条件の１８０度より３７度ずれ、ｈｐ＝ｄ／２＝λ／８とした場合は、５５度ずれる。しかし、２００Ｈｚ以下の低周波数領域では、音響パワーの低下の度合は下がるものの低下することから、評価用マイクロホン６を付加音源３同様に騒音源１からλ／４以内に置くことによって音響パワーを低減させることができる。

具体的な実験結果を、図１６（ａ）乃至図１６（ｃ）に示す。図１６（ａ）乃至図１６（ｃ）から、ｄ＝０．１０ｍ、ｄ＝０．２０ｍ、ｄ＝０．２５ｍの各場合において、十分に音響パワー低減効果が得られることが解る。なお、２００Ｈｚの周波数は、λ＝１．７ｍに相当するため、λ／４＝０．４２５ｍである。

次に、本発明の第７の実施の形態について、図１７を用いて説明する。本実施の形態は、第１音源３１及び第２音源３２からの音圧を低減させる３次元能動消音装置３０である。

図１７に示すように、第１音源３１の周囲には、第１付加音源４１が配置されている。また、第１音圧評価用マイクロホン３３が、例えば第１音源３１の近傍に配置されている。さらに第１音源３１には、当該音源３１と相関のある信号を検出して第１制御回路３５への入力信号とするためのセンサ３７、例えば加速度センサ等が設けられている。

第１制御回路３５は、制御係数を時時刻刻適応的に算出する制御係数算出部３５ａと、この制御係数算出部３５ａで算出された制御係数と入力信号との積和演算を行い、その結果を出力する制御係数積和演算部３５ｂと、を有している。第１制御回路３５は、制御係数積和演算部３５ｂの出力を用いて、第１音圧評価用マイクロホン３３が検出する音圧が最小となるように、第１付加音源４１の振幅と位相とを制御するようになっている。

第１付加音源４１は、スピーカ等を有しており、制御係数積和演算部３５ｂの出力を入力信号として、対象とする騒音に対して消音のためのエネルギーを供給する。

第１音圧評価用マイクロホン３３は、第１音源３１からの音と第１付加音源４１からの音との和を検出し、この検出信号を誤差信号とみなすための誤差信号検出部として機能する。

同様に、第２音源３２の周囲には、第２付加音源４２が配置されている。また、第２音圧評価用マイクロホン３４が、例えば第２音源３２の近傍に配置されている。さらに第２音源３２には、当該音源３２と相関のある信号を検出して第２制御回路３６への入力信号とするためのセンサ３８、例えば加速度センサ等が設けられている。

第２制御回路３６は、制御係数を時時刻刻適応的に算出する制御係数算出部３６ａと、この制御係数算出部３６ａで算出された制御係数と入力信号との積和演算を行い、その結果を出力する制御係数積和演算部３６ｂと、を有している。第２制御回路３６は、制御係数積和演算部３６ｂの出力を用いて、第２音圧評価用マイクロホン３４が検出する音圧が最小となるように、第２付加音源４２の振幅と位相とを制御するようになっている。

第２付加音源４２は、スピーカ等を有しており、制御係数積和演算部１０８ａの出力を入力信号として、対象とする騒音に対して消音のためのエネルギーを供給する。

第２音圧評価用マイクロホン３４は、第２音源３２からの音と第２付加音源４２からの音との和を検出し、この検出信号を誤差信号とみなすための誤差信号検出部として機能する。

ここで、第２付加音源４２の影響を無視したモデルと考える。図１８に示すように、第１音源３１と第１音圧評価用マイクロホン３３との間の距離をｈ₁、第１付加音源４１と第１音圧評価用マイクロホン３３との間の距離をｈ₂、第２音源３２と第１音圧評価用マイクロホン３３との間の距離をｈ₃とし、第１音源３１の振幅をＡ₁、第１付加音源４１の振幅をＡ₂、位相（第１音源３１に対する）をθ、第２音源３２の振幅をＡ₃とすると、第１音圧評価用マイクロホン３３で検出する音圧は、式（１８）のように表せる。

従って、適応制御によって第１音圧評価用マイクロホン３３で検出する音圧を最小にした場合に得られる第１付加音源４１の最適振幅及び位相条件は、以下の式（１９）において式（２０）を満たすものであるから、式（２１）及び式（２２）である。

ここで、αは第１音源３１の振幅に対する第２音源３２の振幅（振幅比）である（式（２３））。

この振幅比αが０の場合（第２音源３２が音を発生していない場合）は、ｈ₁＝ｈ₂の時に式（２４）となる。すなわち、ｈ₁＝ｈ₂が、第１音源３１の音響パワーを最小とする最適条件である。

実際には、振幅比αは０ではない。従って、第２音源３２の影響で、第１付加音源４１の振幅及び位相は、最適値（式（２４））からずれてしまう。特に、振幅比αが一定ならば、式（２１），式（２２）よりα分だけ振幅及び位相を補正する形で対応できるが、振幅比が時間的に変動する場合はそれも難しい。

そこで、まず第２音源３２からの音（音響パワー）を消音することを考えた。

図１９に示すように、第２付加音源４２と第１音圧評価用マイクロホン３３との距離をｈ₄とする。第２音源３２に対して第２付加音源４２を近接させてｈ₃＝ｈ₄とし、第１音圧評価用マイクロホン３３をｈ₁＜ｈ₃なる関係に配置した場合に、第１音圧評価用マイクロホン３３が検知する音圧が式（２５）のようになる。すなわち、この場合に、第１音圧評価用マイクロホン３３は第１音源３１からの音だけを拾う状態となる。

なお、第２付加音源４２への最適条件の与え方は、第２音源３２及び第２付加音源４２の体積速度がそれぞれ等しくなる位置に第２音圧評価用マイクロホン３４を設置することで実現する。つまり、第２音源３２に対して、逆位相で同振幅の第２付加音源４２を与えたときにできる音圧最小領域が前記最適位置に相当する。具体例として、１個の第２音源３２に対して１個の第２付加音源４２を用いる場合を考えると、両者から等距離であって、かつ、第２音源３２の近傍の点、特に好ましくは第２音源と第２付加音源との略中間の点が、第２評価用マイクロホン３４の最適な配置位置となる。このような配置位置では、たとえ両音源３１及び３２が同時に鳴っていても、第２評価用マイクロホン３４は、相対的に第２音源３２からの音をより多く拾う。このため、適用制御により、第２評価用マイクロホン３４の設置位置での音圧を最小にすると、第２付加音源４２の最適条件が得られる。

なお、第２付加音源は、第２音源３２の周囲に複数個が配置され得る。この場合も、第２音源３２の吹き出し体積速度と第２付加音源の吸い込み体積速度の総和とが、略等しくなっていることが好ましい。

また、本実施の形態は、第２音源３２の音が、第１音源３１の音に対して、略同一周波数であって振幅及び位相が時間変動する関係にある場合に好適である。例えば、第２音源３２は、第１音源３１に対して近接配置され、第１音源３１の騒音が固体伝搬する補機等であり得る。この場合の第２音源３２は、「二次音源」と呼ばれる。

次に、前述の第７の実施の形態の効果を検証するための基礎実験結果を示す。

実験では、図２０に示すように、第１音源３１及び第２音源３２として、それぞれスピーカを用いた。そして、本発明のシステム構成に従い、第１付加音源４１及び第２付加音源４２を、第１音源３１及び第２音源３２にそれぞれ対向させて設置した。

第１音圧評価用マイクロホン３３は、第２音源３２からの音も十分拾うように、第１音源３１及び第２音源３２から略等距離の位置であって、かつ、第１音源３１及び第１付加音源４１から略等距離の位置（第２音源３２がない時に第１音源３１の音響パワーを最小化する位置）に設置された。

一方、第２音圧評価用マイクロホン３４は、第１音源３１からの音を拾わないように、第２音源３２に近接配置した。

以上のような配置条件の下で、各音源３１及び３２から２００Ｈｚの周期音を発生させ、各音源３１及び３２から各評価用マイクロホン３３及び３４までの各伝達関数Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２のゲイン及び位相を調べることで、音の寄与を確かめた。その結果を表１に示す。

また、第１音源３１のみを鳴らした場合、第１付加音源４１のみを用いて消音制御がなされた場合の効果について、表２に示す。

表２に示すように、第１音圧評価用マイクロホン３３が検出する音圧は、７５．０ｄＢから４８．３ｄＢまで低減し、第２音圧評価用マイクロホン３４が検出する音圧も、７５．０ｄＢから４７．７ｄＢに低減する。さらに、図２０に示す位置に配置された第３音圧評価用マイクロホン１５０が検出する音圧も、７８．７ｄＢから６９．４ｄＢまで低下した。また、実験者の聴感によっても、消音を確認することができた。

次に、第１音源３１及び第２音源３２を鳴らした場合、第１付加音源４１のみを用いて消音制御がなされた場合の効果について、表３に示す。

表３に示すように、第１音圧評価用マイクロホン３３が検出する音圧は、８１．７ｄＢから６１．７ｄＢまで低減したが、第２音圧評価用マイクロホン３４が検出する音圧は、９７．２ｄＢから９７．７ｄＢに上昇した。さらに、図２０に示す位置に配置された第３音圧評価用マイクロホン１５０が検出する音圧も、７７．７ｄＢから８２．０ｄＢまで上昇した。また、実験者の聴感によっても、消音を確認することはできなかった。

このことは、理論どおり、第２音源３２からの音が第１評価用マイクロホン３３に重畳し、位相及び振幅が最適値からずれてしまったことに起因すると考えられる。

そして、第１音源３１及び第２音源３２を鳴らした場合、まず第２付加音源４２を用いて、更に加えて第１付加音源４１を用いて消音制御がなされた場合の効果について、表４に示す。

表４に示すように、第２付加音源４２による制御によって、第１音圧評価用マイクロホン３３が検出する音圧は、８１．７ｄＢから７２．０ｄＢまで低減し、第２音圧評価用マイクロホン３４が検出する音圧も、９７．２ｄＢから８２．５ｄＢに低下した。しかし、図２０に示す位置に配置された第３音圧評価用マイクロホン１５０が検出する音圧は、７８．０ｄＢから７７．６ｄＢと、ほとんど変化しなかった。

しかし、第１付加音源４１による制御を加えることによって、第１音圧評価用マイクロホン３３が検出する音圧は、更に４８．０ｄＢまで低減し、第３音圧評価用マイクロホン１５０が検出する音圧も、６７．８ｄＢまで低減した。一方、第２音圧評価用マイクロホン３４が検出する音圧も、８４．２ｄＢに抑えられ、実験者の聴感によっても消音を確認することができた。

本発明の第１の実施の形態による３次元能動消音装置を示す構成概略図。 本発明の第２の実施の形態による３次元能動消音装置を示す構成概略図。 図２の小型発電装置における騒音のパワースペクトルを示す図。 図２の発電機の出力信号のスペクトルを示す図。 基本周波数の整数倍のピークを持つ電気信号の一例を示す図。 図２の３次元能動消音装置の消音効果を示す図。 図２の３次元能動消音装置における付加音源の好適な配置例を示す概略図。 図２の３次元能動消音装置における全音響パワーの低減効果を示す図。 図２の３次元能動消音装置における付加音源の好適な他の配置例を示す概略図。 本発明の第３の実施の形態による３次元能動消音装置を示す構成概略図。 本発明の第４の実施の形態による３次元能動消音装置を示す構成概略図。 本発明の第５の実施の形態による３次元能動消音装置の音圧評価用マイクロホンの配置位置を示す図。 全音響パワーの理論上の最小解を示す図。 １０３Ｈｚを消音対象として制御した場合の全音響パワーの低減効果を示す図。 本発明の第６の実施の形態による３次元能動消音装置の騒音源、付加音源及び音圧評価用マイクロホンの配置関係を示す図。 図１５の３次元能動消音装置による全音響パワーの低減効果を示す図。 本発明の第７の実施の形態による３次元能動消音装置の構成概略図。 騒音源、付加音源及び音圧評価用マイクロホンの配置の一例について説明する図。 騒音源、付加音源及び音圧評価用マイクロホンの配置の一例について説明する図。 実験に用いた騒音源、付加音源及び音圧評価用マイクロホンの配置関係について説明する図。 従来の１次元能動消音装置を示す構成概略図。 従来の３次元能動消音装置を示す構成概略図。

符号の説明

１ エンジン（騒音源）
１ｍ 発電機
２ 給排気ダクト
３ 付加音源
４ 筐体
５，５’ 計測部
６ 音圧評価用マイクロホン
７ 制御回路
７ａ 制御係数算出部
７ｂ 制御係数積和演算部
７ｄ デジタル制御部
７ｇ アナログ制御部
７ｈ 音圧モニタ計測部
２１ 第１バンドパスフィルタ
２２ 位相調整部
２３ 振幅調整部
２４ 第２バンドパスフィルタ
２５ 信号切替部
２６ ＡＤ／ＤＡ辺幹部
２７ デジタル回路
３１ 第１音源
３２ 第２音源
３３ 第１音圧評価用マイクロホン
３４ 第２音圧評価用マイクロホン
３５ 第１制御回路
３５ａ 制御係数算出部
３５ｂ 制御係数積和演算部
３６ 第２制御回路
３６ａ 制御係数算出部
３６ｂ 制御係数積和演算部
３７、３８ センサ
４１ 第１付加音源
４２ 第２付加音源
４５ 第３音圧評価用マイクロホン

Claims (5)

1. 筐体内部に存在する騒音源から発せられる音と相関のある信号を検出する計測部と、
   前記騒音源の周囲に配置されたＮ個の付加音源と、
   所定の位置に配置され、当該配置位置における音圧を検出する音圧評価用マイクロホンと、
   前記音圧評価用マイクロホンが検出する音圧が最小となるように、前記計測部が計測する信号に基づいて、前記騒音源から発せられる音の振幅と異なるように前記付加音源から発せられる音の振幅を制御すると共に前記付加音源から発せられる音の位相を制御する制御回路と、
   を備えた３次元能動消音装置であって、
   前記各付加音源は、前記騒音源の中心位置をｘｐ、前記騒音源とｉ番目の付加音源との距離差を（ｘｐ−ｄｉ）（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、前記音の波数をｋ、とした場合に、
   

   

   を満たす位置関係で配置されている
   ことを特徴とする３次元能動消音装置。
2. 前記制御回路は、制御係数算出部と制御係数積和演算部とを有するデジタル制御部を有
   し、前記デジタル制御部により算出される制御係数を時々刻々に更新する
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元能動消音装置。
3. 前記制御回路は、第１バンドパスフィルタと位相調整部と振幅調整部とを有するアナロ
   グ制御部と、第２バンドパスフィルタとＡＤ／ＤＡ変換部とデジタル回路とを有する音圧
   モニタ計測部と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元能動消音装置。
4. 前記音圧評価用マイクロホンは、前記音源から生じる前記音による節以外の領域であっ
   て、かつ、前記付加音源によって生じる付加音による節以外の領域に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元能動消音装置。
5. 筐体内部に存在する騒音源から発せられる音と相関のある信号とは、騒音源の表面の加速度信号、騒音源の回転パルス信号、騒音源の交流出力信号、のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の３次元能動消音装置。

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