JP7112284B2

JP7112284B2 - アクティブノイズコントロールシステム

Info

Publication number: JP7112284B2
Application number: JP2018156682A
Authority: JP
Inventors: 朗蘭金澤; 光慶竹本
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: TW202009923A; JP2020030359A; TWI791777B

Description

特許法第３０条第２項適用平成３０年度土木学会全国大会第７３回年次学術講演会（平成３０年８月）の土木学会認定ＣＰＤプログラムのＤＶＤ－ＲＯＭ，第７部門ＶＩＩ－０２６第５１頁～第５２頁，公益社団法人土木学会

本発明は、騒音等に含まれる複数の卓越周波数の音圧を一挙に低減することが可能なアクティブノイズコントロールシステムに関する。

アクティブノイズコントロールに関する先行技術として、特許文献１及び２が知られている。特許文献１の「並列適応フィルター構成を用いるアクティブノイズコントロールのためのシステム」は、アクティブノイズコントロールシステムであって、該システムは、複数の適応フィルターを備え、該複数の適応フィルターは、それぞれ望ましくない音響を表す同じ入力信号を受け取り、かつ、それぞれの更新信号を受け取るように構成され、該複数の適応フィルターは、該同じ入力信号に基づいてそれぞれの複数の出力信号を生成するように構成され、該それぞれの複数の出力信号の各々は、該それぞれの更新信号に基づいて独立に調整され、該それぞれの複数の出力信号のうちの少なくとも一つは、該望ましくない音響と相殺的に干渉するためにスピーカーを駆動して音波を作るように構成されたアンチノイズ信号である、システムとされている。

特許文献２の「アクティブノイズコントロールシステム及びアクティブノイズコントロール方法」は、騒音を計測する計測用マイクと、騒音を低減するための制御音を作成し出力する制御コントローラと、制御音を放出する制御用スピーカーとを備え、制御コントローラは、騒音中の、制御対象周波数帯域の周波数成分のみを透過させるバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタを透過した周波数成分から制御対象卓越周波数を推定する適応フィルタと、予め計測された制御コントローラの周波数毎の位相遅れに基づき、制御対象卓越周波数に対する位相遅れについて時間制御で位相補正を行い、さらにその逆位相の制御音を作成する制御信号演算部とを備えて構成されている。

特開２０１０－１６１７７０号公報特開２０１５－２２５１３０号公報

アクティブノイズコントロールシステム（以下、ＡＮＣと称する）は、バックホウやクレーン車などのエンジン音の騒音対策として、建設現場での適用実績が増えてきている。上記エンジン音は、単一の周波数の音圧が卓越し、周囲へ大きな影響を与える。これまでに知られているＡＮＣは、単一の卓越周波数のみを消音の対象としており、効果も確認されている。

しかし、建設機械には、単一ではなく、複数の卓越周波数を持つエンジン音を発するものも多い。また、当該建設機械の動作によって、卓越周波数は変動し、その変動幅や音圧は、建設機械個々によって大きく異なる。従来のＡＮＣでは、単一の卓越周波数を対象としていた。このため、卓越周波数が複数存在する騒音に対して、対象とする単一の卓越周波数以外の卓越周波数の音圧を低減できず、効果が十分に得られない可能性があった。

対象とする周波数が異なる複数のＡＮＣを用いることは可能であるが、それぞれにスピーカを設けた場合、音が干渉してしまうことがある。各ＡＮＣからの音を合成することも考えられるが、複数のＡＮＣを完全に同期させなければならない。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、騒音等に含まれる複数の卓越周波数の音圧を一挙に低減することが可能なアクティブノイズコントロールシステムを提供することを目的とする。

本発明にかかるアクティブノイズコントロールシステムは、音源から発せられるＮ個の所定の卓越周波数を含む制御対象音を観測するマイクと、該マイクで観測された制御対象音を低減するための制御音を作成し出力するコントローラと、該コントローラから入力される上記制御音を放出するスピーカとを有し、上記コントローラは、並列に設けられ、上記マイクから入力される制御対象音に含まれるＮ個の所定の卓越周波数を個別に透過させるＮ個のバンドバスフィルタと、これらＮ個のバンドパスフィルタそれぞれを透過したＮ個の所定の卓越周波数が個別に入力され、Ｎ個の所定の卓越周波数それぞれに対して、逆位相の制御音信号を個別に作成するＮ個の制御音信号作成手段と、これらＮ個の制御音信号作成手段から入力されるＮ個の逆位相の上記制御音信号を重ね合わせて上記制御音を作成し出力する重ね合わせ手段とを備え、かつ、Ｎ個の前記各バンドパスフィルタそれぞれに対し個別に設定される、透過させる周波数の範囲は、卓越周波数の変動幅の変動最大周波数及び変動最小周波数それぞれに対して、一定のバッファゾーンが設けられ、前記バッファゾーンが設けられた前記周波数の範囲は、卓越周波数の変動幅の変動最大周波数及び変動最小周波数と、変動幅内の中央の中央周波数を用い、上記最大周波数と上記最小周波数の差の１／２の１．１倍を上記中央周波数に加えてフィルタ最大周波数とされ、上記最大周波数と上記最小周波数の差の１／２の１．１倍を上記中央周波数から差し引いてフィルタ最小周波数とされ、該重ね合わせ手段から入力される上記制御音が上記スピーカから放出されることを特徴とする。

前記コントローラは、１台の演算装置からなることを特徴とする。

制御対象音に含まれるＮ個の所定の卓越周波数は、個数及び各卓越周波数とその変動幅が事前の調査で取得され、取得された調査結果に応じて、Ｎ個の前記各バンドパスフィルタそれぞれに対し、前記バッファゾーンが設けられた前記周波数の範囲が個別に設定されることを特徴とする。

本発明にかかるアクティブノイズコントロールシステムにあっては、騒音等に含まれる複数の卓越周波数の音圧を一挙に低減することができる。

本発明に係るアクティブノイズコントロールシステムが対象とする制御対象音の卓越周波数の変動特性の一例を説明する説明図である。本発明に係るアクティブノイズコントロールシステムの好適な一実施形態を説明する説明図である。本発明に係るアクティブノイズコントロールシステムに適用される、単一の卓越周波数に対する処理プロセスを説明するフローチャート図である。図２に示したアクティブノイズコントロールシステムの適用例として、音源の排気筒近傍における騒音（エンジン音）の周波数特性を示すグラフ図である。適用例における確認用マイクの配置を示す概略図である。適用例におけるエンジン音とスピーカ音の位相状況を示すグラフ図である。適用例におけるアクティブノイズコントロールシステムの効果を説明するグラフ図である。

以下に、本発明にかかるアクティブノイズコントロールシステムの好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

複数の卓越周波数について、卓越周波数自体が変化する第１の場合と、卓越周波数の変化はほとんどないが大きな音圧変化がある第２の場合とがあり、本発明に係るＡＮＣは、第２の場合を対象とするシステムである。

第２の場合は、コンクリートミキサー車のような騒音で、図１に示すように、複数の各卓越周波数ａ，ｂ，ｃの変化（卓越する音の高さの変化、言い換えれば、音圧の大きい周波数が変化する幅）は少なく、各卓越周波数ａ～ｃの音圧が大きく変化する。すなわち、騒音中の、聞こえてくる複数の「音の高さ」は同じであるが、各高さの音の「音の大きさ」が大きく変化する。

建設機械のエンジン音の卓越周波数ａ～ｃは、エンジンの回転数で決まる。水平な道路であったり、スロープであったりするなど、走行場所によって、エンジン音の複数の卓越周波数ａ～ｃについて、各卓越周波数ａ～ｃの音圧が短い時間に大きく変化する可能性がある。このため、逆位相の音の計算時間が極力短いことが好ましい。

図２には、本発明に係るＡＮＣの好適な一実施形態を説明する説明図が示されている。図２中のブロック図で示されているように、本実施形態に係るＡＮＣは、主に、音源（騒音源）１から発せられるＮ個（３個）の所定の卓越周波数ａ，ｂ，ｃを含む制御対象音（騒音）Ｓを観測するマイク２と、マイク２で観測された制御対象音Ｓを低減するための制御音（逆位相の音）ＡＳを作成し出力するコントローラ３と、コントローラ３から入力される制御音ＡＳを放出するスピーカ４とを有し、コントローラ３は、並列に設けられ、マイク２から入力される制御対象音Ｓに含まれるＮ個（３個）の所定の卓越周波数ａ，ｂ，ｃを個別に透過させるＮ個（３個）のバンドバスフィルタ５ａ，５ｂ，５ｃと；これらＮ個（３個）のバンドパスフィルタ５ａ～５ｃそれぞれを透過したＮ個（３個）の所定の卓越周波数ａ，ｂ，ｃが個別に入力され、Ｎ個（３個）の所定の卓越周波数ａ，ｂ，ｃそれぞれに対して、逆位相の制御音信号ｓａ，ｓｂ，ｓｃを個別に作成するＮ個（３個）の制御音信号作成手段６ａ，６ｂ，６ｃと；これらＮ個（３個）の制御音信号作成手段６ａ～６ｃから入力されるＮ個（３個）の逆位相の制御音信号ｓａ～ｓｃを重ね合わせて制御音ＡＳを作成し出力する重ね合わせ手段７とを備え、重ね合わせ手段７から入力される制御音ＡＳがスピーカ４から放出されるように構成される。

コントローラ３は、演算装置を備えるパソコン等で構成され、１台で構成することが望ましい。これは、複数のコントローラ３（パソコン等）を用いた場合、すべてを完全に同期させることが困難だからである。コントローラ３は、マイク２から入力される制御対象音Ｓのアナログ信号をデジタル化して処理し、重ね合わせ手段７から出力する制御音ＡＳのデジタル信号をアナログ化してスピーカ４に出力する。

本実施形態に係るＡＮＣでは、複数の卓越周波数ａ～ｃについて、逆位相の信号ｓａ～ｓｃを並列して同時に計算するシステムであり、制御音ＡＳの計算時間が、単一の卓越周波数を対象とする従来のＡＮＣと同等となる。

マイク２には、Ｎ個の所定の卓越周波数ａ～ｃに対応するＮ個のバンドパスフィルタ５ａ～５ｃが並列にパラレル接続される。

これらバンドパスフィルタ５ａ～５ｃは、Ｎ個の所定の卓越周波数ａ～ｃを個別に透過させる異なる帯域幅で設定される。

Ｎ個の各バンドパスフィルタ５ａ～５ｃにはそれぞれ、各バンドパスフィルタ５ａ～５ｃに対して専用の制御音信号作成手段６ａ～６ｃが直列にシリーズ接続される。従って、制御音信号作成手段６ａ～６ｃは、Ｎ個の所定の卓越周波数ａ～ｃに対応させて、Ｎ個が並列に設けられる。これらＮ個の制御音信号作成手段６ａ～６ｃは、個々個別に、Ｎ個の制御音信号ｓａ～ｓｃを作成する。

これらＮ個の制御音信号作成手段６ａ～６ｃは、単一の重ね合わせ手段７に並列にパラレル接続される。制御音信号ｓａ～ｓｃを重ね合わせて単一の制御音ＡＳを作成する重ね合わせ手段７は、スピーカ４に接続される。

本実施形態に係るＡＮＣは、要約すると、バンドパスフィルタ５ａ～５ｃを通して、卓越周波数ａ～ｃを取り出し、並列に処理することで、従来のＡＮＣと同程度の処理時間で処理するようにしている。

本実施形態に係るＡＮＣは、複数の卓越周波数ａ～ｃを対象とし、単一の卓越周波数に対する処理モジュール（バンドパスフィルタ５ａ～５ｃ及び制御音信号作成手段６ａ～６ｃ）を複数組み合わせて構成される。単一の卓越周波数を対象とした処理モジュールによる処理を、図３を参照して略述する。

卓越周波数を推定する際、推定範囲を限定し、推定にかかる時間を短縮するために、マイク（制御用マイク）で観測され取得される制御対象音（入力信号）は（ステップ１）、卓越周波数の推定範囲を限定するためのバンドパスフィルタを通過する（ステップ２）。これにより、マイクから入力される制御対象音から、当該制御対象音に含まれる所定の卓越周波数が透過される。

制御対象音に含まれるＮ個の「所定」の卓越周波数は、建設現場等で予め実施される調査で事前に取得され、個数及び音圧の高い周波数とその周波数が変動する範囲とが把握された卓越周波数であって、本実施形態に係るＡＮＣにおける逆位相の制御音信号によって減殺する対象となる卓越周波数を言う。卓越周波数は、変動する範囲（幅）が小さいほど、コントローラ３で制御音ＡＳを作成するのに要する負荷が軽減され、処理時間は短縮される。

バンドパスフィルタを通過した信号に、周知のＬＭＳアルゴリズムを使用して、時間領域で（時間軸に沿って）卓越周波数を推定する（ステップ３）。

バンドパスフィルタを通過した信号（卓越周波数の信号）は、マイクで観測した入力信号に含まれる卓越周波数の信号に対して、振幅や位相が変化しており、減殺対象である実際の騒音中の（マイクで観測した）卓越周波数の音と同振幅・逆位相とならず、音圧を適切に低減することができない。

このため、使用するＡＮＣについて、卓越周波数個々に補正値（マイク２やコントローラ３、スピーカ４等の装置による位相のずれとバンドパスフィルタ５ａ～５ｃやＬＭＳアルゴリズム等の電子的な処理によって生じる位相のずれ）を予め計測して取得しておき（ステップ４）、この計測した補正値を用いてバンドパスフィルタを通過した信号を補正することとし（ステップ５）、この補正した信号をスピーカ（制御用スピーカ）へ出力して（ステップ６）、減殺対象の卓越周波数の音とスピーカから放出する制御音とが同振幅・逆位相となるようにする。

卓越周波数の推定にかかる時間は、ＬＭＳアルゴリズムにおけるステップサイズパラメータの値によって変わるが、制御対象音の変動の速さに適したパラメータ値を選択することで、１秒以内に３０Ｈｚ、２０ｄＢで音圧変化する場合でも、十分に追従することができる。

図２に戻って、本実施形態に係るＡＮＣについて、さらに詳述する。図示例では、制御対象音Ｓの卓越周波数ａ～ｃが３つの場合を示している。制御対象音Ｓの卓越周波数ａ～ｃは、３つの場合に限らず、２つ以上いくつであってもよい。

本実施形態に係るＡＮＣは、各卓越周波数ａ～ｃの変化が少なく、音圧の変化が大きな場合に対応したものである。異なる周波数帯域を対象とした複数のバンドパスフィルタ５ａ～５ｃが並列に接続されて構成される。

マイク２から入力される制御対象音Ｓは、所定の卓越周波数ａ～ｃを３つ含んでいる。これら３つの所定の卓越周波数ａ～ｃは、３つのバンドパスフィルタ（帯域制限フィルタ）５ａ～５ｃにそれぞれ同時に入力される。

バンドパスフィルタ５ａ～５ｃについては、上述した事前調査で取得された調査結果に応じて、Ｎ個の各バンドパスフィルタ５ａ～５ｃそれぞれに対し、透過させる周波数の範囲が個別に設定される。

各バンドパスフィルタに個別に設定される周波数の範囲は、卓越周波数の変動幅の変動最大周波数及び変動最小周波数と、変動幅内の中央の中央周波数を用い；最大周波数と最小周波数の差の１／２の１．１倍を中央周波数に加えてフィルタ最大周波数とされ；最大周波数と最小周波数の差の１／２の１．１倍を中央周波数から差し引いてフィルタ最小周波数とされる。具体的には、事前調査において、前後の周波数の音圧よりも音圧レベルが、例えば１０ｄＢ以上大きい周波数を、「音圧の高い周波数（卓越周波数）」として特定し、その音圧レベルの周波数がどの程度の変動幅（周波数範囲）で変化するかを確認して、その変動幅の最大周波数と最小周波数それぞれに対し、一定程度（最大周波数と最小周波数の差の１／２の１．１倍程度）のバッファゾーンを設けるようにして、バンドパスフィルタ５ａ～５ｃを設定することが望ましい。一例としては、中央周波数が１００Ｈｚであって、９０～１１０Ｈｚの変動幅がある場合、バンドパスフィルタに設定される周波数の範囲は、８９～１１１Ｈｚとされる。

各バンドパスフィルタ５ａ～５ｃを透過した各所定の卓越周波数ａ～ｃそれぞれに関し、制御音信号作成手段６ａ～６ｃが逆位相の制御音信号ｓａ～ｓｃを計算・作成する。

重ね合わせ手段７は、３つの制御音信号作成手段６ａ～６ｃから入力される３つの逆位相の制御音信号ｓａ～ｓｃを合算して重ね合わせて、１つの制御音ＡＳを作成する。

重ね合わせ手段７は、この１つの制御音ＡＳをスピーカ４へ出力し、スピーカ４は、入力された制御音ＡＳを放出する。

以上説明した本実施形態に係るＡＮＣにあっては、騒音等の制御対象音Ｓに含まれる複数の所定の卓越周波数ａ～ｃを対象として、これら卓越周波数ａ～ｃの音圧が個々に変化する場合であっても、並列接続したバンドパスフィルタ５ａ～５ｃ及び制御音信号作成手段６ａ～６ｃによるパラレル処理により、すべての所定の卓越周波数ａ～ｃに対する複数の制御音信号ｓａ～ｓｃを短時間に合理的に作成し、これら制御音信号ｓａ～ｓｃを重ね合わせた制御音ＡＳを出力できるので、複数の所定の卓越周波数ａ～ｃの音圧を効果的に低減することができる。

制御音信号ｓａ～ｓｃを重ね合わせる際には、動作を完全に同期させる必要があるため、１台の演算装置（コントローラ３）を使用することが望ましい。このようにすると、演算装置には大きな負荷が掛かるが、バンドパスフィルタ５ａ～５ｃを透過させる周波数の範囲（幅）を狭めることで、負荷の軽減が図れ、処理速度を速めることができる。

本実施形態に係るＡＮＣは、各卓越周波数ａ～ｃに対する逆位相の制御音信号ｓａ～ｓｃを同時に計算するため、処理時間は、単一の卓越周波数を対象とする場合の処理時間とほとんど変わらない。本実施形態に係るＡＮＣは、対象とする所定の卓越周波数ａ～ｃに対応させてバンドパスフィルタ５ａ～５ｃの対象周波数帯域を狭くするため、コンクリートミキサー車などのように、音圧は大きく変化しても、卓越周波数ａ～ｃがほぼ一定である騒音に対して用いることが好ましい。
《適用例と効果》
本実施形態に係るＡＮＣを、音圧変動の大きなコンクリートミキサー車の騒音に対して適用した例について、以下説明する。コンクリートミキサー車のエンジン音の音源は、排気筒であり、この排気筒の近傍に、マイク及びスピーカを配置した。

図４には、所定の卓越周波数を決定するために、排気筒近傍で事前に計測したコンクリートミキサー車の騒音（音圧）の周波数特性が示されている。制御対象音であるエンジン音は、７０～１３０Ｈｚにおいて、１１０～１２０ｄＢ程度の音圧をもつ、複数の卓越周波数を含んでいることがわかる。

図５には、ＡＮＣによる消音効果を確認するための確認用マイク８の位置が示されている。排気筒９から水平距離で２ｍ離して、高さ１．２ｍのところに、確認用マイク８を設けた。コンクリートミキサー車１０を停車状態とし、実際の走行時と同程度のエンジン回転数となるようにエンジンを、約１５００～２５００ｒｐｍで運転し、確認用マイク８で音圧を計測した。

計測結果が図６及び図７に示されている。図６は、ＡＮＣを作動させたときの排気筒近傍におけるエンジン音（制御対象音）Ｓと、スピーカ近傍における出力音（制御音）ＡＳの関係を示している（エンジン回転数２５００ｒｐｍ程度）。図中、卓越周波数よりも高い周波数の音は、フィルタにより除いて示している。

エンジン音Ｓに対し、スピーカの制御音（出力音）ＡＳはほぼ逆位相となっている。図示しないけれども、スペクトログラムによる分析によれば、本実施形態のＡＮＣにより、８６Ｈｚ付近及び１０８Ｈｚ付近において、卓越周波数の音圧が低減していた。

図７は、ＡＮＣの有無による確認用マイク８位置における音圧が示されている。所定の卓越周波数を含む帯域である８０Ｈｚ帯域（７１Ｈｚ、８６Ｈｚ）、１００Ｈｚ帯域（１０８Ｈｚ）、１２５Ｈｚ（１３０Ｈｚ）帯域において、それぞれ約６ｄＢ，５ｄＢ，８ｄＢ低減することができた。

１音源
２マイク
３コントローラ
４スピーカ
５ａ～５ｃバンドバスフィルタ
６ａ～６ｃ制御音信号作成手段
７重ね合わせ手段
ＡＳ制御音
Ｓ制御対象音
ａ～ｃ所定の卓越周波数
ｓａ～ｓｃ逆位相の制御音信号

Claims

音源から発せられるＮ個の所定の卓越周波数を含む制御対象音を観測するマイクと、
該マイクで観測された制御対象音を低減するための制御音を作成し出力するコントローラと、
該コントローラから入力される上記制御音を放出するスピーカとを有し、
上記コントローラは、
並列に設けられ、上記マイクから入力される制御対象音に含まれるＮ個の所定の卓越周波数を個別に透過させるＮ個のバンドバスフィルタと、
これらＮ個のバンドパスフィルタそれぞれを透過したＮ個の所定の卓越周波数が個別に入力され、Ｎ個の所定の卓越周波数それぞれに対して、逆位相の制御音信号を個別に作成するＮ個の制御音信号作成手段と、
これらＮ個の制御音信号作成手段から入力されるＮ個の逆位相の上記制御音信号を重ね合わせて上記制御音を作成し出力する重ね合わせ手段とを備え、かつ、
Ｎ個の前記各バンドパスフィルタそれぞれに対し個別に設定される、透過させる周波数の範囲は、卓越周波数の変動幅の変動最大周波数及び変動最小周波数それぞれに対して、一定のバッファゾーンが設けられ、
前記バッファゾーンが設けられた前記周波数の範囲は、卓越周波数の変動幅の変動最大周波数及び変動最小周波数と、変動幅内の中央の中央周波数を用い、
上記最大周波数と上記最小周波数の差の１／２の１．１倍を上記中央周波数に加えてフィルタ最大周波数とされ、
上記最大周波数と上記最小周波数の差の１／２の１．１倍を上記中央周波数から差し引いてフィルタ最小周波数とされ、
該重ね合わせ手段から入力される上記制御音が上記スピーカから放出されることを特徴とするアクティブノイズコントロールシステム。
前記コントローラは、１台の演算装置からなることを特徴とする請求項１に記載のアクティブノイズコントロールシステム。
制御対象音に含まれるＮ個の所定の卓越周波数は、個数及び各卓越周波数とその変動幅が事前の調査で取得され、取得された調査結果に応じて、Ｎ個の前記各バンドパスフィルタそれぞれに対し、前記バッファゾーンが設けられた前記周波数の範囲が個別に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のアクティブノイズコントロールシステム。