JP4256935B2 - 音響処理方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、音響処理方法に関し、本方法において、周囲音の音場を測定し、この周囲音の音場に関して逆符号の音場をアクチュエータで生成し、さらに所望値信号をアクチュエータに印加し、周囲音の音圧をアクチュエータに取り付けられているセンサで測定し、センサ信号と所望値信号との差をアクチュエータに印加し、音響を所望値信号により生成し、所望値信号に関係なく周囲音を同時に減衰する。
さらに、本発明は、音響処理装置に関し、この装置は、音響アクチュエータと、それに取り付けられている音圧を測定するセンサと、所望値信号をアクチュエータに印加する手段と、センサで測定される音圧と所望値信号との差をアクチュエータに印加する手段とを備える。
音場の音圧と粒子速度とを測定し、この測定結果を基にして、アクチュエータを、換言すれば、減衰音響を生成する手段を制御して元の音場と全く同一ではないが、逆符号の音場を生成する方法で音響を減衰することは公知である。この結果、音場がアクチュエータによって完全に抑制されることが可能である。この方法は、音響減衰に適用可能であるが、所望の音響を生成するには別々の複雑な解決法が必要とされる。
ドイツ特許公報第３０２５３９１号は、音場を測定し、元の音場に関して逆符号の音場を生成して、音響を減衰する方法と装置とを開示している。音響減衰アクチュエータにより所望値信号を供給することも開示されている。測定される音場もアクチュエータによって生成される音響を含んでいるので、この解決法を適用すると多少制約される。
米国特許第５０１８２０３号や英国特許公報第１５３０８１４号、英国特許公報第２１６００７０号などが、音場を測定し、音響を減衰する聴力保安装置内の変圧器によって逆符号の音場を生成する聴力保安装置の解決法を開示している。聴力保安装置内の変圧器により有効信号を供給することも開示されている。聴力保安装置により、周囲音の侵入を防止し、耳に聞こえてくる音響を減衰する。この解決法を適用すると多少制約され、例えば、これらの解決法では、音響を吸収することができない。
本発明の目的は、信号が同時に音響を生成するアクチュエータに印加されても、周囲音を吸収し、所望の音響を生成し、実質的に周囲音のみを含むマイクロホン信号を同時に生成することが可能な方法と装置とを提供することにある。
本発明による方法は、音響をアクチュエータで吸収して減衰し、センサで測定される音圧の所望値信号の効果を除去することを特徴とする。
また、本発明による装置は、アクチュエータを配置して音響を吸収し、装置を配置してセンサで測定される音圧の所望値信号の効果を除去することを特徴とする。
本発明の基本概念は、所望値信号をアクチュエータに印加し、その信号をアクチュエータが再生することと、音圧を測定するセンサがアクチュエータに取り付けられていることと、センサ信号と所望値信号との差がアクチュエータへ高ゲインフィードバックとして印加されることである。このように、所望値信号に関係なく音響が同時に吸収される。さらに、別の基本概念は、所望値信号の効果を測定される信号から除去し、所望値信号に関係なく音響に比例するマイクロホン信号が生成されることである。
本発明の利点は、それらの手段で、所望値信号に関係なく音響が簡単な方法で吸収されることが可能であり、所望値音響による音響が所望値信号に関係なく音響に比例するマイクロホン信号とともに同一装置で、さらに、すべてを同一装置で、同時に生成されることが可能なことである。
【図面の簡単な説明】
図１は、音響減衰装置の原理を概略的に示している。
図２は、第２の音響減衰解決法の概略図である。
図３ａは、第３の音響減衰解決法の概略図である。
図３ｂは、図３ａによる解決法の周波数応答を示している。
図４は、本発明によるアクチュエータの可動振動板の平面図を示している。
図５ａは、第４の音響減衰解決法の概略図である。
図５ｂは、図５ａに示される解決法の周波数応答を示している。
図６は、第５の音響減衰解決法の概略図である。
図７は、アクチュエータの概略側面断面図である。
図８は、別のアクチュエータ解決法の概略側面断面図である。
図９乃至図11は、多数のアクチュエータ解決法の概略図である。
図12は、本発明による解決法の概略図である。
図13は、アクチュエータ解決法の概略側面断面図である。
図14は、さらに別のアクチュエータ解決法の概略側面断面図である。
図１は、方法の概略図を示している。本システムの基本ユニットは、平面アクチュエータとそれに取り付けられている振動板圧力センサとを備える。本発明の音響システムは、雑音吸収および音響再生システムとして同時に働くことができる。アクチュエータは、多孔性ステータプレート１と、可動振動板２，３と、厚み方向に弾性のあるセンサ振動板４と、センサ増幅器８と、可変ゲイン増幅器Ａとを含む。フィードバックシステムの原理のよれば、可変ゲイン増幅器のゲインが無限に近づくに従ってセンサ信号Ｂは、所望値信号Ｉに等しくなる。実際問題として、２０ｄＢのゲインで、所望値信号とセンサ信号との差は１パーセントである。所望値信号をゼロに設定する場合、センサ信号もゼロに近くなり、これにより、このシステムが吸収層６の背後で音圧をゼロに保ち、かつ粒子速度が吸収層内で最大値を有し、この結果、このシステムも低周波を効率的に吸収することになる。この場合、このシステムは、それ自体周知の音響減衰器として働く。しかし、所望値信号Ｉは、同時にこのシステムに印加され、アクチュエータが信号を再生する。このように、このシステムは、所望値信号に関係なく全ての音響または雑音を吸収することが可能であり、かつ正確に所望値信号の音響を同時に再生することが可能である。図１にも、吸収材料５によって壁７に素子を固定することを示している。
吸収層も生成される音響を減衰するので、図２に示されるユニットＦ（Ｉ）の所望値信号側に周波数応答の補正を行うことが利点である。センサ信号を所望値信号から区別できるように、所望値信号をゲインＡに等しいゲインＡ’で増幅し、その信号を増幅器Ａの出力信号から減ずる。このように、センサ信号に比例するマイクロホン信号Ｂ’＝−ＢＡが生成され、マイクロホン信号は、所望値信号に関係なく音響のみまたは振動信号のみから成り、かつ例えば別々の部屋に配置される素子がインターコンシステムを構成するような複数の素子間の大音響システムの制御にまたは信号トラヒックに適用可能である。
図３ａは、制御システムを示し、フィードバックが低周波および中周波に最も効率的に作用し、このことは、図３ｂに示されるような周波数応答から明確である。素子の音響出力を均等に分配できるように、図４に示されるように点１０から金属コーティングを除去することによって可動振動板２の作用表面を調整することが利点であり、これらの点は、所望の形状のラスタパターンを形成し、所望の音場を設ける。高フィードバックゲインを実現できるように、出来る限り可動振動板の近くに、また振動板が多孔性ステータプレートに固定される点など高周波が最小振幅を有する点に、圧力センサを配置することが利点である。
図５ａは、フィードバックゲインをさらに増加可能な実施の形態を示している。振動板の運動に対応する信号を生成する電極１１は、可動振動板内に配置される。この信号は、内部高速フィードバックループの構成要素となる。圧力フィードバックループのゲインは、図５ｂに示されるような時定数Ｔ₁とＴ₂との間で一定である。時定数Ｔ₂で、圧力ループの積分化が開始され、対応して、振動フィードバックの微分も開始され、時定数Ｔ₃で完了され、ゲインは、圧力ループ内で高くなる。
圧力センサ４が可動エレクトレット振動板２に取り付けられている極めて有利な実施の形態が、図６に示されている。この場合、アクチュエータの振幅と周波数応答のどちらもが線形になる。
図７は、突起１１と両端に向かって狭くなっているエアギャップ１４とを有する多孔性ステータプレートの形状を示している。ステータプレートは、燒結によってプラスチック粉末またはプラスチック繊維から生成されることが可能であり、それらは真空蒸着によって少なくとも内側表面に金属被膜される。
図８は、アクチュエータ素子を示し、そのフレームが低周波で共振器を提供するギャップを有する。圧力フィードバックが、所望値のレベルに振幅を自動的に調整するとき、バックプレート７およびアクチュエータ素子１，２，３も異なる周波で共振を提供することが可能である。このように、素子の効率は、低周波で大幅に増大されることが可能である。
図９は、本発明の実施の形態を示し、圧力センサＰ₁およびＰ₂が、アクチュエータの両側に配置され、全ての制御エレクトロニクスは、アクチュエータの中央にある同一のマイクロ回路のセンサに接続されている。
図10は、モジュールからなる素子を示し、マイクロ回路１５が示されている。
図11は、モジュールを示し、その一端に、モジュール同士間に電源電圧と信号とを伝送するモジュール間の接続導体１６が示されている。また、モジュールは、円筒形であり、この場合、モジュールは、空気調和装置の音響減衰に適している。円錐モジュールは、空気調和装置のノズルに適している。このモジュールも、用途に応じて自由に形づくることができる。
図12は、ダイポールアクチュエータの両側に配置される圧力センサの信号の和がアクチュエータによって提供される粒子速度を制御する制御システムを示している。このシステムは、周波数帯のアクチュエータに信号を印加して同調されることが可能であり、吸収が好ましいものであり、また音響伝搬が阻止される必要がある。端子Ｃが分離され、伝達関数Ｇ₁がゼロである差ｅに調整される。（アクチュエータ）の異なる側の圧力センサＰ₁およびＰ₂は、実際問題として、音響上、別の空間にあるので、伝達関数Ｇ₁は、信号を等化するために必要であり、圧力センサＰ₁およびＰ₂の信号を和分して、周囲音に比例するマイクロホン信号Ｂ’を生成することが可能である。その後、端子Ｃがアクチュエータに結合されて伝達関数Ｇ₂が同調されると、所望の吸収または減衰が達成される。可聴信号は端子Ｉに印加されることができる。この印加により、アクチュエータ制御が差ｅにまったく生じないので、このシステムが不安定になりにくいという顕著な利点を有する。さらに、差ｅに、周囲音の効果が生じ、この場合、周囲音に比例するマイクロホン信号Ｂ’を問題の点に生成することが可能である。ダイポールアクチュエータの可動振動板によって生成される音圧が均等効果を有するが、逆符号では、圧力センサに生じるので、圧力Ｐ₁およびＰ₂の和、すなわち周囲音のみが所望の方法でアクチュエータによって得られる粒子速度を制御し、この結果、等化が伝達関数Ｇ₁で行われる場合、アクチュエータによって生成される音圧信号の和はゼロである。
図12に示される制御システムが図13に示されるアクチュエータ素子に適用可能であり、その素子近くに壁または壁状構造があり、またはその一表面は空気７’が不透過である。このシステムの同調は、原則として、この場合、伝達関数Ｇ₁が少なくとも微分であるという方法で上述に類似している。弾性や空気容量、アクチュエータステータプレートまたはその背後の吸収層の質量および有孔率を最適に設計して、アクチュエータを制御する場合、表面７または７’の粒子速度または音圧を有しない素子を得ることが可能である。
図14の構成において、第２の圧力センサＰ₂は、ダイポールアクチュエータの片側に少なくとも部分的に閉鎖された空気空間に配置される。アクチュエータも、可動振動板３の固定点にアパーチャ１４を有することが可能である。アパーチャ１４は、互いに５センチメータの間隔のように互いに比較的接近している。アパーチャ１４と空気空間とで共振器を形成する。少なくとも一個の圧力センサＰ₁またはＰ₂が閉鎖されていない空間に配置されるような場合、周囲音は吸収によって減衰されることが可能であり、または、アクチュエータが、空気調和ダクトの側に配置されることが可能であり、この装置は、例えばダクトを流動する空気によって生じる干渉雑音を吸収する。
これらに関する図面および記載にて、本発明の概念を示すことを意図しているに過ぎない。本発明は請求の範囲内で細部について変更することができるものである。

Claims (21)

1. 音響処理方法であって、周囲音の音場を測定し、前記周囲音の前記音場に関して逆符号の音場をアクチュエータで生成し、さらに、所望値信号（Ｉ）を前記アクチュエータへ供給し、前記アクチュエータに取り付けられるセンサで前記周囲音の音圧を測定し、前記センサ信号（Ｂ）と前記所望値信号（Ｉ）との差を前記アクチュエータへ供給し、前記所望値信号（Ｉ）により音響を生成し、前記所望値信号に関係のない周囲音を同時に減衰する方法において、音響をアクチュエータで吸収して減衰し、センサで測定される前記音圧（Ｂ）に及ぼす前記所望値信号（Ｉ）の影響を除去することを特徴とする音響処理方法。
2. ダイポールアクチュエータをアクチュエータとして用い、前記ダイポールアクチュエータの両側の圧力センサ（Ｐ₁、Ｐ₂）で音圧を測定し、前記圧力センサ（Ｐ₁、Ｐ₂）の信号を和分する場合、前記アクチュエータによって生じる前記音圧を相殺するように、少なくとも一つのセンサ（Ｐ₁、Ｐ₂）の前記信号を伝達関数（Ｇ₁）で調整し、伝達関数（Ｇ₁）で調整される前記圧力センサ（Ｐ₁、Ｐ₂）の信号を和分して前記周囲音に比例するマイクロホン信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ダイポールアクチュエータの片側に前記第２の圧力センサ（Ｐ2）が配置される少なとも部分的に閉鎖された空気空間があることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記閉鎖された空気空間に配置される前記センサ（Ｐ2）の信号が微分されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記周囲音にのみ比例するマイクロホン信号（Ｂ’）が生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法
6. 前記得られた信号（−ＢＡ）が前記周囲音に比例する前記マイクロホン信号（Ｂ’）に対応するとき、可変ゲイン増幅器（Ａ）の出力信号から前記可変ゲイン増幅器（Ａ）の前記ゲインに等しいゲイン（Ａ’）で増幅される前記所望値信号（Ｉ）を減ずることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記周囲音に比例する前記マイクロホン信号（Ｂ’）を所望値信号として別の素子へ印加することを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記アクチュエータが少なくとも一つの可動振動板（２，３）を有し、その運動速度を測定し、内部高速フィードバックループがこの運動速度を構成することを特徴とする前述の請求項のいずれかに記載の方法。
9. 音響処理装置であって、前記装置が、アクチュエータと、それに取り付けられている音圧を測定するセンサと、所望値信号（Ｉ）をアクチュエータへ印加する手段と、前記センサで測定される前記音圧（Ｂ）と前記所望値信号（Ｉ）との差を前記アクチュエータへ印加する手段とを含み、前記アクチュエータを配置して音響を吸収することおよび前記装置を配置して前記センサで測定される前記音圧（Ｂ）に及ぼす前記所望値信号（Ｉ）の影響を除去することを特徴とする音響処理装置。
10. 前記アクチュエータがダイポールアクチュエータであり、かつ前記装置が、前記アクチュエータと異なる側に配置される少なくとも二つの圧力センサ（Ｐ₁、Ｐ₂）を含み、さらに、前記装置が、前記圧力センサ（Ｐ₁、Ｐ₂）の信号を和分する場合、前記アクチュエータによって生じる前記音圧を相殺するように、少なくとも一つのセンサ（Ｐ₁、Ｐ₂）の前記信号を伝達関数（Ｇ1）で調整する手段を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記ダイポールアクチュエータの片側に前記第２の圧力センサ（Ｐ2）が存在する少なくとも部分的に閉鎖された空気空間があることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記装置が、前記周囲音に比例するマイクロホン信号（Ｂ’）を生成するために配置されることを特徴とする請求項９から１１に記載の装置。
13. 前記装置が前記周囲音に比例するマイクロホン信号（Ｂ’）を生成するように、前記センサで測定される前記音圧（Ｐ）から前記所望値信号（Ｉ）を減ずる手段を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置
14. 前記アクチュエータ素子の少なくとも一表面に前記多孔性ステータプレート（１）より厚めの別の音響吸収材料があることを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載の装置。
15. 少なくとも二つのアクチュエータ素子を鏡像のように互いに向き合って配置されることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記素子を制御する電子ユニットが各素子の端部に配置されることを特徴とする請求項９から１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記可動アクチュエータ振動板（２，３）の電極が、最適に前記出力を分配するようにラスタパターンを形成することを特徴とする請求項９から１６のいずれかに記載の装置。
18. 圧力センサ（４）が、前記アクチュエータの前記可動振動板（２，３）に取り付けられることを特徴とする請求項９から１７のいずれかに記載の装置。
19. 前記アクチュエータが、少なくとも前記内側表面に金属被膜される多孔性ステータプレート（１）と、エレクトレット振動板（２）と、圧力センサ（４）とを含むことを特徴とする請求項９から１８のいずれかに記載の装置。
20. 前記アクチュエータが、アパーチャ（１３）とバックプレート（７）との境界フレーム（１２）を含むことと、前記アパーチャ（１３）または前記アクチュエータの前記バックプレート（７）および／または前記アクチュエータが、共振器の構成要素となることとを特徴とする請求項９から１９に記載の装置。
21. 前記アクチュエータの片側には弾性のある空気を含む多孔性材料があり、その反対側には空気が不透過の層または空気がほとんど透過しない層があることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

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