JP5474079B2 - 騒音制御装置及び騒音制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、能動的騒音制御を行う騒音制御装置及び騒音制御方法に関する。

従来、能動的に騒音制御（アクティブノイズコントロール。以下、ＡＮＣと称する。）を行う技術が知られており、自動車や複写機などの騒音制御に広く用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
このＡＮＣでは、騒音信号に対してその騒音信号と強さが同じで逆位相の消音信号を放射し、騒音信号と消音信号とを干渉させることによって、消音領域（騒音制御の対象となる領域をいう。以下同じ。）の騒音を打ち消す。

特開２００７−３０２１３４号公報 特許第４０７８３６８号公報

閉空間や開放空間（開空間）に伝播しリアルタイムに周波数成分が変更する騒音信号に対して、騒音制御をリアルタイムに処理するためには、騒音源の信号成分を正確に検出し、消音する帯域で消音するためのフィードフォワード制御が必要となる。このフィードフォワード制御には、騒音源を探査するためのセンサーデバイス、消音領域を確認するためのセンサーデバイス、消音信号を創生するためのスピーカデバイスが必要となる。そして、これらのデバイスを制御するためのアルゴリズムが必要となる。

センサーデバイスとしてマイクロホンを利用する場合において、民生機器等のスピーカデバイスとマイクロホンとが近接して設置される環境であると、近接化に伴う波長問題でハウリングが生じうる。したがって、このような近接化に伴う波長問題を回避するために、消音領域の音場環境の事前調査や、騒音制御中の消音領域の音場環境の変動確認が重要となる。

このような消音領域の音響特性を確認するための作業を、「同定作業」という。同定作業においては、一定音圧、一定周波数の音声信号を一定時間、制御用スピーカから放射し、この制御用スピーカからの音反射が、直接あるいは間接にセンサーデバイスに入力されるまでの時間に基づいて、消音領域の大きさや反射物の影響を確認する。

従来、この同定作業は、騒音制御を開始する前に実施していた。しかし、消音動作中に未知の音場環境の何らかの変化や、制御用スピーカやセンサーデバイスの突発的な移動などが発生すると、消音領域の音響環境状態が変化する。そうなると、騒音制御を効果的に行うことができないという事態を招いていた。

また、同定作業においては、消音領域の音響環境を確認するために消音領域の周波数特性を把握するため、ホワイトノイズやピンクノイズなどの全周波数帯域を含む信号を制御用スピーカから放射する。このとき、消音すべき音圧レベルと同等又はそれ以上の音圧レベルで信号を放射するため、騒音制御を一時停止する必要があった。また、この同定作業において放射される信号により、消音領域が「騒音」状態となる場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、消音領域の音響特性の変化に対応した騒音制御を行うことのできる騒音制御装置及び騒音制御方法を提供するものである。

本発明に係る騒音制御装置は、騒音源から発生される騒音信号を検出する一つ以上のリファレンスセンサーと、消音信号と同定信号を放射する一つ以上の放射音源と、騒音信号、消音信号、及び同定信号を検出するエラーセンサーと、消音領域の音響特性を同定する同定手段と、リファレンスセンサーとエラーセンサーの検出結果に基づいて、適応信号処理により消音信号を生成する消音信号生成手段と、を備え、同定手段は、放射音源が消音信号を放射せず同定信号を放射した状態で検出される、エラーセンサーの検出信号の周波数特性と、放射音源が消音信号と同定信号とを重畳して放射した状態で検出される、エラーセンサーの検出信号の周波数特性と、の比較に基づいて、消音領域の音響特性の変化を取得し、消音信号生成手段は、消音領域の音響特性の変化を加味して消音信号を生成するものである。

本発明に係る騒音制御装置によれば、騒音制御中に消音領域の同定作業を行う。このため、例えば環境変動により消音領域の音響特性に変化が生じた場合でも、その変化に応じた適切な騒音制御を行うことができる。

実施の形態に係る騒音制御装置を説明する機能ブロック図である。 実施の形態に係る騒音制御装置の他の例を説明する機能ブロック図である。 実施の形態に係る、騒音制御中に行う同定作業において使用する同定信号を説明する図である。

実施の形態．
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態では、本発明に係る騒音制御装置を、ダクトを有する空気調和システムに搭載した場合を例に説明する。この騒音制御装置は、空調設備の送風機などから発生した騒音が、送風ダクト内を伝播して空調対象の部屋に放射されるのを抑制するものである。

ここで、上述したように騒音制御には、騒音源を探査するためのセンサーデバイス、消音領域を確認するためのセンサーデバイス、消音信号を創生するためのスピーカデバイスが必要となる。そして、騒音制御の種類として、これらのデバイスをそれぞれ一つずつ備えたシングルチャンネル制御と、少なくともいずれかのデバイスを複数備えたマルチチャンネル制御がある。本実施の形態に係る騒音制御装置は、シングルチャンネル制御とマルチチャンネル制御のいずれにも適用可能である。以下、シングルチャンネル制御の場合の構成と、マルチチャンネル制御の場合の構成を順に説明する。

図１は、本実施の形態に係る騒音制御装置１００を説明する機能ブロック図である。図１では、シングルチャンネル制御の場合の騒音制御装置１００の一例を示している。
ダクト１０は、空調設備（図示せず）から吹き出される空気の通路であり、上流側に騒音源１１を搭載し、下流側には空調対象領域に向けて開口した開口部１０ａを有する。この騒音制御システムは、上流側の騒音源１１から発せられる騒音が、ダクト１０内を伝播して空調対象の領域に放射されるのを抑制するものである。すなわち、ダクト１０の下流側にある空調対象の領域が、消音領域となる。

騒音源１１は、本実施の形態では、例えばファンやモータなどの回転系機構である。

騒音制御装置１００は、リファレンスセンサー２と、二次音源３と、エラーセンサー４と、計算処理部５とを備える。

リファレンスセンサー２は、ダクト１０内を伝播する騒音源１１の音響信号成分を検出してその検出値を計算処理部５に伝送するセンサーである。本実施の形態では、リファレンスセンサー２として、空間伝送する伝播音を捉えるためのマイクロホンを用いる場合を例に説明する。リファレンスセンサー２は、騒音源１１の近傍に設置され、騒音源１１の音響特性を検出できるようになっている。また、リファレンスセンサー２からの複数の入力信号の経路を、入力信号経路Ｒ（Ｎ）と表している。

なお、リファレンスセンサー２としては、マイクロホンのほかに、振動で発生する信号を検出する振動センサーを用いることもできる。この場合、振動センサーを例えばファンやモータなどの騒音源１１に直接設置して振動を直接検出することができるほか、騒音源１１の固定方法に応じて騒音源１１を設置しているダクト１０などの構造体に固着して、振動を間接的に検出することもできる。

二次音源３は、計算処理部５に制御されて消音信号を放射するものであり、本実施の形態ではスピーカを用いる場合を例に説明する。なお、以降の説明において、二次音源３を制御用スピーカ３と称する。制御用スピーカ３は、リファレンスセンサー２の下流側であってダクト１０内の任意の位置に設置される。

エラーセンサー４は、制御用スピーカ３の更に下流側の任意の位置に設置され、音響信号成分を検出してその検出値を計算処理部５に伝送するセンサーであり、本実施の形態では、エラーセンサー４としてマイクロホンを用いた場合を例に説明する。エラーセンサー４からの複数の入力信号（以下、エラー信号ｅ（Ｎ）と表す）の伝達経路は、エラー信号経路Ｅ（Ｎ）と表している。エラーセンサー４が検出する音響信号成分は、エラーセンサー４が設置された位置での騒音を表すこととなる。したがって、騒音制御装置１００は、エラー信号ｅ（Ｎ）を最小にする（限りなくゼロにする）ことを目的としているといえる。

計算処理部５は、逆フィルタ段８と、計算段６と、アダプティブフィルタ段７とを有し、騒音制御を行うための信号処理及びフィルタ処理を行う。具体的には、計算処理部５は、リファレンスセンサー２及びエラーセンサー４の検出信号に基づいて騒音の音響特性を消音するための消音信号を創生するという適応信号処理を行う。
なお、図１において計算処理部５は、本発明の消音信号生成手段及び同定手段に相当する。

次に、騒音制御における信号伝播及び計算処理部５による騒音制御処理について説明する。
ここで、本実施の形態では、開口部１０ａの近傍が消音領域であるものとする。そして、この消音領域は、その音響特性が未知の状態であるものとする。

伝達経路２０は、制御用スピーカ３とエラーセンサー４とを結ぶ音響成分の伝達経路である。この伝達経路２０は信号伝達特性Ｃを有しているものとし、信号伝達特性Ｃを伝達関数Ａで表す。
伝達経路３０は、リファレンスセンサー２と制御用スピーカ３とを結ぶ音響成分の伝達経路である。この伝達経路３０は信号伝達特性Ｆを有しているものとし、信号伝達特性Ｆを伝達関数Ｂで表す。

騒音制御を始める前に、制御用スピーカ３から任意時間、任意信号を放射し、リファレンスセンサー２及びエラーセンサー４でその任意信号を検出することで、伝達関数Ａと伝達関数Ｂの時間特性を得ることができる。また、リファレンスセンサー２及びエラーセンサー４の設置位置と設置個数を確認することができる。

逆フィルタ段８は、リファレンスセンサー２から入力信号経路Ｒ（Ｎ）により入力された入力信号に対して畳込み積分して、この入力信号とは逆位相の信号を創生する。この逆位相の信号は、アダプティブフィルタ段７に伝送され、アダプティブフィルタ段７のフィルタ特性の更新に利用される。また、この逆位相の信号は、計算段６へも伝送される。

計算段６は、エラーセンサー４から入力されるエラー信号ｅ（Ｎ）を最小化する最小二乗法に基づく計算処理を行う。計算段６での計算結果はアダプティブフィルタ段７に伝送され、アダプティブフィルタ段７のフィルタ特性の更新に利用される。
また、計算段６は、逆フィルタ段８で創生されて伝送された逆位相の信号成分を限りなくゼロにするための計算を行う。
また、計算段６は、逆フィルタ段８から伝送された音響信号の位相特性と、エラーセンサー４から伝送されたエラー信号ｅ（Ｎ）の位相特性とを比較する。このようにすることで、エラーセンサー４に入力される消音領域に伝播する信号のうち、騒音源１１からの信号以外のものを、外来信号として特定することができる。この外来信号は、消音領域の音響特性を変動させる環境変化要因ということができる。そして、外来信号はアダプティブフィルタ段７に伝送され、アダプティブフィルタ段７のフィルタ特性の更新に利用される。

アダプティブフィルタ段７は、消音信号を創生するためのフィルタ特性が設定されたフィルタである。アダプティブフィルタ段７は、時々刻々と変化する騒音源１１からの騒音信号を打ち消すため、そのフィルタ特性を適時更新する適応信号処理を行う。
アダプティブフィルタ段７は、前述した逆フィルタ段８で創生された入力信号の逆位相の信号、計算段６での計算結果、及び外来信号に基づいて、フィルタ係数を更新する。外来信号を利用することで、外来信号（消音領域の環境変化要因）の影響を取り入れた安定した消音動作が可能となる。

アダプティブフィルタ段７で創生された消音信号の音響信号成分は、制御用スピーカ３に伝送され、制御用スピーカ３から放射される。このようにして、制御用スピーカ３から放射される消音信号の音声信号成分により、騒音源１１の音声信号成分が打ち消される。

次に、マルチチャンネル制御の場合の基本構成を説明する。
図２は、騒音制御装置１００の制御動作を説明する機能ブロック図の一例であり、マルチチャンネル制御の場合の構成を示している。なお、図２では、図１で示したダクト１０及び騒音源１１などは記載しておらず、機能ブロックのみ記載している。図２に基づいて、マルチチャンネル制御の場合の騒音制御動作を、図１と異なる点を中心に説明する。なお、図２では、図１と同一の構成要素又は対応するものには同一の符号を付している。

図２に示すマルチチャンネル制御は、Ｋチャンネルのリファレンスセンサー２からの入力に基づいてＭチャンネルの消音信号を生成し、これによりＬチャンネルのエラーセンサー４により検出されるエラー信号ｅ（Ｎ）を最小にする制御を行うものである。なお、Ｋ、Ｌ、Ｍはそれぞれ１以上である。また、制御用スピーカ３（図２には図示せず）からエラーセンサ４に至る消音信号の伝達経路を、誤差経路Ｃ（Ｎ）と表している。

計算処理部９は、リファレンスセンサー２から入力信号経路Ｒ（Ｎ）により入力される信号とエラーセンサー４からのエラー信号ｅ（Ｎ）に基づいて、アダプティブフィルタ段７ａのフィルタ特性を更新するための計算処理を行う。
アダプティブフィルタ段７ａは、複数チャンネル用のアダプティブフィルタＷを有し、消音信号を創生する。アダプティブフィルタ段７ａは、１以上の入力チャンネルと１以上の出力チャンネルを有し、制御用スピーカ３が接続されている。
なお、本発明の消音信号生成手段及び同定手段は、図２においては計算処理部９及びアダプティブフィルタ段７ａに相当する。

アダプティブフィルタ段７ａで創生された消音信号の音響信号成分は、制御用スピーカ３（図２には図示せず）に伝送され、制御用スピーカ３から放射される。このようにして、制御用スピーカ３から放射される消音信号の音声信号成分により、騒音源１１の音声信号成分が打ち消される。

以上、図１と図２に基づいてシングルチャンネル制御とマルチチャンネル制御での騒音制御の基本動作を説明した。
次に、本実施の形態に係る同定作業について説明する。前述したように、従来は、騒音制御を開始する前に同定作業を実行していた。しかし、本実施の形態では、騒音制御を開始する前に加えて、騒音制御中にも同定作業を実施する。

以下、騒音制御中に行う同定作業について説明する。
騒音制御装置１００は、消音信号と、同定作業のための音響成分信号（以下、同定信号と称する）とを、制御用スピーカ３から重畳放射する。同定信号は、インパルス性の信号であり、消音信号よりも３ｄＢ以上低い音圧レベルである。そして、同定信号は、一定時間、一定間隔で放射される。

図３は、騒音制御中に行う同定作業で使用する同定信号を説明する図である。図３に示すように、放射時間０．５秒以下の同定信号を、３秒程度の間隔で放射する。この同定信号の時間は、人間の音反射の認知への影響を最小限にするための最小時間関係である。また、この同定信号を放射する時間（すなわち、同定作業の時間）は、１回あたり、例えば１分以上、５分以下とする。
また、同定信号の周波数成分は、消音に必要な任意の低周波成分（例えば５Ｈｚなど））から、人間の聴覚特性では感度の低い周波数成分（例えば１ｋＨｚ以下）までを用いる。このようにすることで、同定信号が人間に知覚されることもなく、同定作業により人間が感じる不快感を抑制することができる。

次に、同定作業における信号伝播及び関連する制御処理を、図１、図２に基づいて説明する。図１、図２では、同定信号の伝達経路を同定信号経路Ｄ（Ｎ）で表し、説明のため、同定信号経路Ｄ（Ｎ）を伝達経路４０〜伝達経路４４と区別して表している。

まず、図１に基づいて説明する。
図１において、アダプティブフィルタ段７で創生された同定信号は、伝達経路４０により制御用スピーカ３に伝送され、制御用スピーカ３から放射される。制御用スピーカ３から放射された同定信号は、伝達経路４１によりエラーセンサー４に入力される。そして、エラーセンサー４に入力された同定信号は、伝達経路４２によりアダプティブフィルタ段７に伝送される。アダプティブフィルタ段７は、伝送された同定信号の音響特性を畳込み積分し、消音領域の変化を周波数特性の変化として得る。そして、この騒音制御中での同定作業により得た音響特性と、騒音制御前に行った同定作業により得た音響特性とを比較することにより、消音領域の変化を監視する。

そして、アダプティブフィルタ段７は、上述したような消音信号の創生処理において、前段で求めた消音領域の変化を反映させる。このようにすることで、消音領域の変化に応じたフィルタ特性による消音信号を、制御用スピーカ３から放射させることができる。このため、消音領域の環境変動により音場特性に変化が生じた場合にも、安定した騒音制御を行うことができる。

次に、図２に基づいて説明する。
図２において、アダプティブフィルタ段７ａで創生された同定信号は、制御用スピーカ３から放射され、伝達経路４３によりエラーセンサー４に入力される。そして、エラーセンサー４に入力された同定信号は、伝達経路４４により計算処理部９に入力される。計算処理部９は、所定のアルゴリズムに基づいて伝送された同定信号に計算を施し、消音環境の変化を周波数特性の変化として得る。そして、この騒音制御中での同定作業により得た音響特性と、騒音制御前に行った同定作業により得た音響特性とを比較することにより、消音領域の変化を監視する。

そして、アダプティブフィルタ段７ａは、上述したような消音信号の創生処理において、前段で求めた消音領域の変化を反映させる。このようにすることで、消音領域の変化に応じたフィルタ特性による消音信号を、制御用スピーカ３から放射させることができる。このため、消音領域の環境変動により音場特性に変化が生じた場合にも、安定した騒音制御を行うことができる。

このような騒音制御中の同定作業を、例えば、一日の制御工程の中で任意のタイミングで複数回、繰り返し行う。例えば、一日のうち朝、昼、夜の決めた時間に３回行うこともできるし、朝、夜の決めた時間に２回行うこともできる。このようにすることで、消音領域の環境変動を確認することができる。また、騒音制御中に同定作業を行うので、消音領域に対する騒音制御動作を停止させることなく、変動した消音領域に応じた消音信号を放射することができる。

以上のように、本実施の形態に係る騒音制御装置１００によれば、消音領域の同定作業を、騒音制御中にも行うようにした。このため、消音領域の音場特性に応じた騒音制御を行うことができる。また、騒音制御と同時に同定作業を行うので、消音領域に対する騒音制御を停止する必要がない。

また、騒音制御中の同定作業において使用する同定信号は、消音信号の音圧レベルよりも３ｄＢ以上低いものとした。このため、同定信号が消音信号に影響を与えることもほとんどない。あるいは、騒音制御中の同定作業において使用する同定信号は、消音信号の音圧レベルの半分のエネルギー成分とすることもできる。このようにしても、同様の効果を得ることができる。

また、騒音制御中の同定作業において使用する同定信号は、人間の聴覚において感度の低い周波数（例えば５Ｈｚ以上、１ｋＨｚ）とした。このため、同定信号により消音領域に存在する人間に不快感を生じさせるのを抑制することができる。
また、騒音制御中の同定作業においては、放射時間０．５秒以下の同定信号を、３秒程度の間隔で放射するようにした。このため、同定信号による人間の知覚への影響を抑えることができる。

なお、本実施の形態ではダクトを備えた空気調和装置という閉空間に本発明に係る騒音制御装置を適用した場合を例に説明したが、開放空間に本発明の騒音制御装置を適用することもでき、同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、ファンやモータなどの回転系機構から放射される騒音の騒音制御を例に説明したが、例えば自動車や工作機械などの移動系機構から放射される騒音の騒音制御に本発明を適用でき、同様の効果を得ることができる。

２ リファレンスセンサー、３ 制御用スピーカ（二次音源）、４ エラーセンサー、５ 計算処理部、６ 計算段、７ アダプティブフィルタ段、７ａ アダプティブフィルタ段、８ 逆フィルタ段、９ 計算処理部、１０ ダクト、１０ａ 開口部、１１ 騒音源、２０ 伝達経路、３０ 伝達経路、４０ 伝達経路、４１ 伝達経路、４２ 伝達経路、４３ 伝達経路、４４ 伝達経路、１００ 騒音制御装置、Ａ 伝達関数、Ｂ 伝達関数、Ｃ 信号伝達特性、Ｃ（Ｎ） 誤差経路、Ｄ（Ｎ） 同定信号経路、Ｅ（Ｎ） エラー信号経路、Ｆ 信号伝達特性、Ｒ（Ｎ） 入力信号経路、Ｗ アダプティブフィルタ。

Claims (6)

1. 騒音源から発生される騒音信号を検出する一つ以上のリファレンスセンサーと、
   消音信号と同定信号を放射する一つ以上の放射音源と、
   前記騒音信号、前記消音信号、及び前記同定信号を検出するエラーセンサーと、
   消音領域の音響特性を同定する同定手段と、
   前記リファレンスセンサーと前記エラーセンサーの検出結果に基づいて、適応信号処理により前記消音信号を生成する消音信号生成手段と、を備え、
   前記同定手段は、前記放射音源が前記消音信号を放射せず前記同定信号を放射した状態で検出される、前記エラーセンサーの検出信号の周波数特性と、前記放射音源が前記消音信号と前記同定信号とを重畳して放射した状態で検出される、前記エラーセンサーの検出信号の周波数特性と、の比較に基づいて、前記消音領域の音響特性の変化を取得し、
   前記消音信号生成手段は、前記消音領域の音響特性の変化を加味して前記消音信号を生成する
   ことを特徴とする騒音制御装置。
2. 前記同定信号は、インパルス性信号であり、
   前記周波数特性は、前記エラーセンサーの検出信号を畳込み積分することで算出される
   ことを特徴とする請求項１記載の騒音制御装置。
3. 前記インパルス性信号は、
   前記放射音源から放射する前記消音信号の音圧レベルよりも３ｄＢ以上低い音圧レベル、又は、
   前記放射音源から放射する前記消音信号のエネルギー成分の半分のエネルギー成分で放射される
   ことを特徴とする請求項２記載の騒音制御装置。
4. 前記同定手段の同定作業の１回当たりの作業時間は１分以上かつ５分以下であり、
   前記１回当たりの同定作業においては、
   前記インパルス性信号を０．５秒以下の放射時間で放射し、この放射を３秒程度の間隔を置いて繰り返す
   ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の騒音制御装置。
5. 前記インパルス性の信号成分は、５Ｈｚ以上、１ｋＨｚ以下の周波数成分を有する
   ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の騒音制御装置。
6. 消音対象となる消音領域の騒音を打ち消す消音信号を出力するステップと、
   前記消音領域の音響特性を同定する同定信号を出力するステップと、
   前記消音信号と前記同定信号を重畳して出力するステップと、
   前記消音信号が放射されず前記同定信号が放射された状態で検出される、前記消音領域の音響信号の周波数特性と、前記消音信号と前記同定信号とが重畳して放射された状態で検出される、前記消音領域の音響信号の周波数特性と、の比較に基づいて、前記消音領域の音響特性の変化を取得するステップと、
   前記消音領域の音響特性の変化を加味して前記消音信号を生成するステップと、を備えた
   ことを特徴とする騒音制御方法。

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