JP7181848B2

JP7181848B2 - アクティブ消音装置及びアクティブ消音方法

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Publication number: JP7181848B2
Application number: JP2019170821A
Authority: JP
Inventors: 朗蘭金澤
Original assignee: Okumura Corp
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Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2022-12-01
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Description

特許法第３０条第２項適用奥村組技術研究年報Ｎｏ．４５、第１１頁，第２０頁及び第１０３頁～第１０８頁、株式会社奥村組技術研究所

本発明は、各スピーカからの制御音同士の干渉を抑制することが可能で、複数台のスピーカにより、空間的に広がりのある領域を対象として消音効果を確保することが可能なアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法に関する。

工場などの各種施設では、作業者の作業環境に対する改善の要望があり、その中で、騒音対策が求められている。騒音源を囲うことが有効であるが、作業の都合で囲うことが難しい場合が多い。このような観点から、作業者が作業を行う作業場所を対象としたアクティブ・ノイズ・コントロール技術の開発が期待されている。

この種の提案として、例えば特許文献１及び２が知られている。特許文献１の「能動騒音制御装置及び能動騒音制御方法」は、消音効果を奏する領域面積を維持することができるとともに、小型化を図ること可能な能動騒音制御装置及びその方法を提供することを課題とし、騒音を検出する参照マイクと、制御音を出力する制御スピーカと、制御スピーカに並設される近傍特性検出マイクと、第１伝達特性を同定する回路と、第１伝達特性、第２伝達特性、及び第２誤差特性に基づいて、制御スピーカから近傍特性検出マイクまでの特性を算出し、第１伝達特性、及び特性に基づいて、制御音と騒音とを制御点で位相干渉させて制御領域での騒音を低減する制御フィルタを構成する回路と、参照マイクの検出結果及び制御フィルタに基づいて、制御スピーカの制御音を制御する回路とを備えて構成されている。

特許文献２の「アクティブ消音装置及びアクティブ消音方法」は、アクティブ消音装置において、制御領域内に誤差マイクを配置することなく、制御領域内において制御対象音を効率よくかつ、十分に打ち消すことを課題とし、第１適応フィルタを介してスピーカの発音をフィードフォワード制御するアクティブ消音装置に係る。このアクティブ消音装置は、制御領域外に配置されかつ、制御音と制御対象音とが合成された合成音を検出すると共に、該検出結果に対応した領域外集音信号を出力する誤差マイクを備える。コントローラは、制御音によって制御領域において制御対象音が打ち消されたときの、参照マイクから誤差マイクに至る伝達特性を同定する同定部と、参照マイク及び誤差マイクからの出力に基づき第１適応フィルタを更新することにより、同定された伝達特性と一致するようにスピーカの発音をフィードフォワード制御する制御部と、を有して構成されている。

特開２０１１－１２３３３０号公報特開２０１８－１６９４３９号公報

アクティブノイズコントロールは従来周知のように、騒音源から騒音を低減したい場所（消音したい場所）、例えば作業場所に到達する騒音に対し、当該騒音と同振幅（同音圧）・逆位相の制御音を騒音を低減したい場所へ向けてスピーカから放出し重ね合わせることによって、消音制御を行うものである。

スピーカが１台であると、騒音と制御音とが重なり合った音が作業者等に感得される範囲は狭く、消音効果は、制御音が到達するほぼ一点にピンポイントで得られるだけであって、スピーカでカバーし得る範囲から外れると、消音効果は僅かなものとなってしまう。

消音効果が得られる範囲をピンポイントから空間的に広がりのある領域（ゾーン）に広げるためには、制御音によってカバーし得る範囲を広げるように、スピーカを複数台設置し、これらスピーカそれぞれから騒音を低減したい場所へ向けて制御音を放出することが考えられる。

しかしながら、複数台の各スピーカの性能特性は個々個別であると共に、施設の制限から、騒音を低減したい場所に対して各スピーカを理想的な位置に設置できない場合があり、さらには、各スピーカから放出される各制御音同士が干渉して消音効果が減殺されてしまうおそれがあるなど、複数台のスピーカによる消音制御には解決しなければならない課題があった。

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、複数台の各スピーカから騒音を低減したい（消音したい）場所へ向けて制御音をそれぞれ放出して騒音源からの騒音をアクティブに消音する場合に、各スピーカの性能特性及び各スピーカの設置位置（スピーカと騒音を低減したい場所との距離）が異なっても、各スピーカからの制御音同士の干渉を抑制することが可能で、複数台のスピーカにより、空間的に広がりのある領域を対象として消音効果を確保することが可能なアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法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消音装置は、一つもしくは複数の騒音源から制御位置へ向けて発せられる制御対象音を観測する一つもしくは複数のマイクと、上記制御位置へ向けて上記制御対象音を低減する制御音を放出する複数のスピーカと、上記マイク個々から上記制御対象音の音信号が入力され、上記スピーカ個々へ上記制御音の音信号を出力する単一のコントローラと、該コントローラに一つもしくは複数設けられ、上記マイク個々からの上記制御対象音の音信号が入力され、上記制御対象音を低減する上記制御音の音信号個々を、フィードフォワード制御によって作成し上記スピーカ個々へ出力する制御音信号作成部と、上記制御位置もしくは該制御位置近傍に設けられ、上記制御対象音と上記制御音とが重なり合った重合音を観測して上記コントローラへ出力するモニタ用マイクと、上記コントローラに設けられ、上記モニタ用マイクから入力された上記重合音に応じて、フィードバック制御により、上記制御音信号作成部で作成された上記制御音の音信号の振幅を調整する振幅調整部とを備えたことを特徴とする。

前記制御音信号作成部は、前記マイクから入力される前記制御対象音の音信号に含まれる所定の卓越周波数の音信号を透過させるバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを透過した上記卓越周波数の音信号を、上記マイクから入力される上記制御対象音の音信号に基づいて同定する同定部と、前記制御位置で前記制御音が前記制御対象音と同振幅及び逆位相となるように、上記同定部で同定した上記卓越周波数の音信号に対して振幅及び位相の補正を行って前記制御音の音信号を作成する補正部とを備えることを特徴とする。

前記振幅調整部は、複数の前記スピーカ個々に対して振幅上限値及び振幅を小さくする振幅低減係数が設定され、前記モニタ用マイクから入力された前記重合音の平均振幅が上記振幅上限値以下である上記スピーカに対しては、前記制御音信号作成部で作成された前記制御音の音信号をそのまま前記コントローラから出力し、上記重合音の平均振幅が上記振幅上限値を超えている上記スピーカに対しては、上記制御音信号作成部で作成された上記制御音の音信号を上記振幅低減係数で調整して上記コントローラから出力することを特徴とする。

本発明にかかるアクティブ消音方法は、上記アクティブ消音装置を用い、前記単一のコントローラの一つもしくは複数の前記制御音信号作成部で、フィードフォワード制御により、一つもしくは複数の前記マイク個々から入力される前記制御対象音の音信号個々に対して、前記制御対象音を低減する前記制御音の音信号個々を作成し複数の前記スピーカ個々へ出力する第１ステップと、上記単一のコントローラの前記振幅調整部で、前記モニタ用マイクから入力された前記重合音に応じ、フィードバック制御により、上記第１ステップで上記制御音信号作成部により作成された上記制御音の音信号の振幅を調整する第２ステップと、該第２ステップで振幅調整された上記制御音の音信号が上記コントローラから入力される前記スピーカ個々が、前記制御位置へ向けて前記制御音を放出する第３ステップとを含むことを特徴とする。

本発明にかかるアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法にあっては、複数台の各スピーカから騒音を低減したい（消音したい）場所へ向けて制御音をそれぞれ放出して騒音源からの騒音をアクティブに消音する場合に、各スピーカの性能特性及び各スピーカの設置位置（スピーカと騒音を低減したい場所との距離）が異なっても、各スピーカからの制御音同士の干渉を抑制することができ、複数台のスピーカにより、空間的に広がりのある領域を対象として消音効果を確保することができる。

本発明に係るアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法が適用される騒音を例示した説明図である。本発明に係るアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法の好適な一実施形態を説明する説明図である。図２に示したアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法を構成するコントローラを示す説明図である。図３に示したコントローラの振幅調整部のロジックを説明する説明図である。図２に示したアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法に対して行った数値シミュレーションの計算モデルを説明する説明図である。図５に示した計算モデルの想定イメージを説明する説明図である。図５に示した数値シミュレーションに用いた騒音源から発せられる制御対象音（騒音）の音信号及び外乱に用いた音信号の周波数特性、並びに時系列特性を説明する説明図である。図５に示した数値シミュレーションを、表１の計算ケースそれぞれについて行ったシミュレーションの結果を説明する説明図である。図２に示したアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法に対して実施した効果確認試験の実験状況を説明する説明図である。図９に示した効果確認試験での対象領域における制御効果を説明する説明図である。図９に示した効果確認試験において、実験室の中心位置における消音効果を説明する説明図である。図９に示した効果確認試験において、実験室の対象領域における消音効果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消音装置及びアクティブ消音方法の変形例を示す、図５（ａ）に対応する説明図である。

以下に、本発明にかかるアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法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。

本実施形態にかかるアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法は、単一の騒音源からの騒音を、騒音源近傍に設置した制御用マイクで計測し、単一の制御用スピーカで当該騒音を低減するようにした既知の制御方法を前提として完成されたものである。

具体的に説明すると、定常騒音だけでなく、数秒の間に卓越周波数が急激に変動する非定常の騒音についても対策可能なように、フィードフォワード制御を採用し、また、高速で効率よく制御が収束するように、バンドパスフィルタを適用して騒音中の卓越周波数のみを制御対象として抽出する。

すなわち、制御用マイクで計測した制御対象音の音信号にバンドパスフィルタを適用し、制御対象音の音信号から卓越周波数を含む所定範囲のみの音信号を抽出して、これを処理対象とする。

卓越周波数が変動する非定常の騒音を考慮し、バンドパスフィルタを透過した卓越周波数の音信号を、周知のＬＭＳアルゴリズムにより同定する。

同定した卓越周波数の音信号をもとに、制御位置（騒音を低減したい場所）において、制御対象音と制御音が同振幅・逆位相となるように振幅及び位相の補正を行った制御音の音信号を生成して、制御音を制御用スピーカから出力するようになっている。

本実施形態に係るアクティブ消音装置及びアクティブ消音方法が対象とする騒音の特性が図１に示されている。

卓越周波数をもつ騒音源には、定常騒音を発するものだけでなく、機械類の負荷に応じて卓越周波数が時間的に変動する変動騒音がある。卓越周波数が変動する騒音源の例としては、コンプレッサやエンジン（発電機など）、金属加工機械のうち、回転旋盤をもつもの、などがある。

複数の制御用スピーカを使用する場合、制御用スピーカそれぞれから発せられる制御音相互の干渉により、騒音低減効果が減殺される可能性がある。すなわち、複数の制御用スピーカを使用する場合に、相互干渉の影響を抑制する制御の開発が重要である。

図２及び図３は、本実施形態に係るアクティブ消音装置１の好適な一実施形態を説明する説明図である。図２は、アクティブ消音装置１を構成する機器の配置例を示している。図３は、単一のコントローラ２（図２及び図３中、制御システム）内における処理手順のブロックダイヤグラムを示している。

本実施形態に係るアクティブ消音装置１は、主に、一つもしくは複数の騒音源３から制御位置（図２中、騒音を低減したい場所）４へ向けて発せられる制御対象音（図２中、騒音）Ｎを観測する複数の制御用マイク（図２及び図３中、制御用マイク１及び２）５，５と、制御位置４へ向けて制御対象音Ｎを低減する制御音（図２中、制御スピーカ１及び２からの音）Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ放出する複数の制御用スピーカ（図２中、スピーカ１及び２、図３中、制御スピーカ１及び２）６，６と、複数の制御用マイク５，５それぞれから制御対象音Ｎの音信号が個々に入力され、複数の制御用スピーカ６，６それぞれへ制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を個々に出力する単一のコントローラ２と、コントローラ２に複数設けられ、各制御用マイク５，５からの制御対象音Ｎの音信号が個別に入力され、制御対象音Ｎを低減する制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を個別に、フィードフォワード制御によって作成し複数の制御用スピーカ６，６個々へ出力する制御音信号作成部７，７と、制御位置４もしくは制御位置４近傍に設けられ、制御対象音Ｎと制御音Ｓ１，Ｓ２とが重なり合った重合音ＳＳを観測してコントローラ２へ出力するモニタ用マイク８と、コントローラ２に設けられ、モニタ用マイク８から入力された重合音ＳＳに応じて、フィードバック制御により、各制御音信号作成部７，７で作成された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅を調整する振幅調整部９とを備えて構成される。

コントローラ２は、演算装置を備えるパソコン等で構成され、１台で構成される。複数のコントローラ（パソコン等）で構成することも可能であるが、すべてを完全に同期させることが困難であるため、単一のコントローラ２で構成することが望ましい。

コントローラ２は、制御用マイク５，５から入力される制御対象音Ｎのアナログ信号をデジタル化した制御対象音Ｎの音信号を作成して処理し、制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号（デジタル信号）をアナログ化した制御音Ｓ１，Ｓ２を作成して制御用スピーカ６，６に出力する。

本実施形態では、制御用マイク５，５と制御用スピーカ６，６とは、１：１で対をなすようにして、複数備えられる。そして、コントローラ２には、複数対の制御用マイク５，５及び制御用スピーカ６，６と同じ数の複数の制御音信号作成部７，７が備えられる。

制御用マイク５，５は、騒音源３の近傍に設置される。工場のように、騒音源が多数ある場合は、制御位置４に相当する位置で予め騒音（制御対象音）を計測して、特に音圧の大きな周波数域を特定し、その周波数域の騒音を発生する騒音源３の近傍に制御用マイク５，５を設置するようにする。

制御音信号作成部７，７は図３に示されている。各制御音信号作成部７，７はそれぞれ、いずれかの制御用マイク５，５から入力された制御対象音Ｎの音信号に対して、当該制御用マイク５，５に対応する制御用スピーカ６，６へ制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を作成し出力する。

すなわち、複数備えられる制御音信号作成部７，７は、対をなす制御用マイク５，５及び制御用スピーカ６，６の個数と同じ数で複数入力される個々の制御対象音Ｎの音信号に対し、個別に複数の制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を作成して出力する。

コントローラ２は、騒音源３から発せられる制御対象音（騒音）Ｎを制御位置４に到達する前に観測する制御用マイク５，５からの入力を処理し、制御音Ｓ１，Ｓ２を制御用スピーカ６，６へ向けて出力するフィードフォワード制御を実行する。

各制御音信号作成部７は、詳細には、制御用マイク５から入力される制御対象音Ｎの音信号に含まれる所定の卓越周波数の音信号を透過させるバンドパスフィルタ１０と、バンドパスフィルタ１０を透過した卓越周波数の音信号（周波数）を、制御用マイク５から入力される制御対象音Ｎの音信号（周波数）に基づいて同定する同定部１１と、制御位置４で制御音Ｓ１，Ｓ２が制御対象音Ｎと同振幅及び逆位相となるように、同定部１１で同定した卓越周波数の音信号に対して振幅及び位相の補正を行って制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を作成する補正部１２とを備える。

制御対象音（騒音）Ｎに含まれる卓越周波数を推定する際、推定範囲を限定し、推定にかかる処理時間を短縮するために、コントローラ２において取得された制御用マイク５からの制御対象音Ｎの音信号は、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１０を通過する。これにより、制御用マイク５から入力される制御対象音Ｎから、当該制御対象音Ｎに含まれる所定の卓越周波数が透過される。

所定の卓越周波数とは、騒音を低減したい場所である制御位置４で打ち消したい音の周波数をいう。

制御対象音Ｎに含まれる当該所定の卓越周波数とは、騒音を低減したい作業場所等の場所４で予め実施される調査で事前に取得され、その値と変動する範囲（幅）とが把握された周波数であって、本実施形態に係るアクティブ消音装置１及びアクティブ消音方法で作成される逆位相の制御音Ｓ１，Ｓ２によって減殺する対象となる周波数を言う。

事前調査の結果に応じて、各制御音信号作成部７，７の、各制御用マイク５，５に対応するバンドパスフィルタ１０，１０それぞれに対し、透過させる周波数の範囲が設定される。

同定部１１では、バンドパスフィルタ１０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）卓越周波数を同定する。

バンドパスフィルタ１０を通過した音信号（卓越周波数の音信号）は、制御用マイク５で観測した制御対象音Ｎに含まれる卓越周波数の音に対して、振幅や位相が変化しており、減殺対象である実際の制御対象音（騒音）Ｎ中の卓越周波数の音と同振幅・逆位相とならず、制御音Ｓ１，Ｓ２によって制御対象音Ｎ（具体的には音圧）を適切に低減することができない。

本実施形態では、同定部１１の後段に補正部１２が備えられる。この補正部１２は、制御用マイク５やコントローラ２等の装置による位相のずれと、バンドパスフィルタ１０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、さらには、制御用スピーカ６による位相のずれ、制御位置４と制御用マイク５の距離が原因である空間伝搬にかかる遅延を予め計測しておいて、所定の卓越周波数に対する補正値として取得しておき、この補正値を用いて同定部１１を通過した音信号を補正するようになっている。

そして、補正した音信号は振幅調整部９へ出力され、コントローラ２は、振幅調整部９で処理した音信号をアナログ化して制御用スピーカ６，６へ出力し、これにより、減殺対象の制御対象音Ｎに含まれる卓越周波数の音を、制御用スピーカ６，６から放出する制御音Ｓ１，Ｓ２で打ち消すように抑制する。

フィードフォワード制御で複数台の制御用スピーカ６，６から個別に制御位置４へ向けて制御音Ｓ１，Ｓ２を放出すると、制御音Ｓ１，Ｓ２同士が互いに干渉し合ってしまって、所望の消音効果を確保することができないことが考えられる。

本実施形態では、制御位置近傍に上記モニタ用マイク８が備えられると共に、コントローラ２に上記振幅調整部９が設けられ、これらを用いて制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号に対し、フィードバック制御により振幅調整処理が行われるようになっている。

すなわち、振幅調整部９は、フィードフォワード制御で作成された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅についてだけ、モニタ用マイク８で実際に観測された制御位置４もしくはその近傍での制御対象音Ｎと各制御用スピーカ６，６からの複数の制御音Ｓ１，Ｓ２とが重なり合った重合音ＳＳに応じて、各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅を個々に調整する。

具体的には、振幅調整部９は、図４に示すように、複数の制御用スピーカ６，６個々に対して振幅上限値Ａ及び振幅を小さくする振幅低減係数Ｂが設定され、モニタ用マイク８から入力された重合音ＳＳの過去数ミリ秒間の平均振幅Ｖ_aveが振幅上限値Ａ（Ｖ_aveの上限値）以下である制御用スピーカ６に対しては、各制御音信号作成部７で作成された制御音（図４中、計算された出力音ｙ；Ｓ１，Ｓ２）の音信号をそのままコントローラ２から出力（ｙ＝ｙ）し、重合音ＳＳの平均振幅Ｖ_aveが振幅上限値Ａを超えている制御用スピーカ６に対しては、各制御音信号作成部７で作成された制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を振幅低減係数Ｂで調整（ｙ＝Ｂｙ）してコントローラ２から出力する。振幅調整部９を経た各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号が、各制御用スピーカ６，６から放出される。この際、重合音ＳＳの平均振幅Ｖ_aveが振幅上限値Ａを超えているか否かは、制御用スピーカ６，６ごとに判定される。

図示例では、振幅調整部９は、ひとまとまりのモジュール形態で表記されているが、各制御音信号作成部７，７毎に個々に複数備えるようにしても良いことはもちろんである。

複数の制御用スピーカ６，６を用いる場合、コントローラ２は、制御位置４において、制御対象音Ｎと各制御用スピーカ６，６からの各制御音Ｓ１，Ｓ２とが重なり合って打ち消し合うように、各制御音Ｓ１，Ｓ２を生成し出力する。このとき、例えば制御位置４と各制御用スピーカ６，６それぞれとの距離によって、放出される制御音Ｓ１，Ｓ２同士で振幅比が異なる場合があるため、振幅の調整を行う。

振幅の調整は、事前の制御用スピーカ６，６の配置検討時に各制御用スピーカ６，６に対し振幅について振幅低減係数Ｂを決定することに加え、モニタ用マイク８により重合音ＳＳを観測して振幅低減係数Ｂをさらに調整するようになっている。すなわち、各制御用スピーカ６，６から出力される制御音Ｓ１，Ｓ２の振幅（音圧）を調整するようにする。振幅上限値Ａ及び振幅低減係数Ｂは、事前の試験やシミュレーションの結果から、各制御用スピーカ６，６に個々に割り当てられる。

振幅上限値Ａ及び振幅低減係数Ｂは、制御用スピーカ６，６毎に設定される。また、平均振幅を求める際の平均時間についても、騒音源３の特性に合わせて設定される。

このようなモニタ用マイク８及び振幅調整部９により、フィードバック制御で制御音Ｓ１，Ｓ２の振幅を調整する本実施形態に係るアクティブ消音装置及びその方法は、後述する数値シミュレーション及び効果確認試験を行った結果、収束の速さと制御の安定性を維持しながら、各制御用スピーカ６，６それぞれから放出される制御音Ｓ１，Ｓ２同士の干渉を適切に制御できることが検証された。

本実施形態に係るアクティブ消音方法は、上述したアクティブ消音装置１を用いて実施されるもので、基本的には、単一のコントローラ２の複数の制御音信号作成部７，７で、フィードフォワード制御により、複数の制御用マイク５，５それぞれから入力される複数の制御対象音Ｎの音信号個々に対して、制御対象音Ｎを低減する複数の制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を個々に作成し複数の制御用スピーカ６，６個々へ出力する第１ステップと、単一のコントローラ２の振幅調整部９で、モニタ用マイク８から入力された重合音ＳＳに応じ、フィードバック制御により、第１ステップで各制御音信号作成部７，７により作成された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅を調整する第２ステップと、第２ステップで振幅調整された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号がコントローラ２からそれぞれ入力される複数の制御用スピーカ６，６が、制御位置４へ向けて制御音Ｓ１，Ｓ２を放出する第３ステップとを含んで構成される。

≪数値シミュレーション≫
上記実施形態に係るアクティブ消音装置１及びアクティブ消音方法により、制御位置４における音圧について、図５及び図６に従って、数値シミュレーションを行った。図５には、計算モデルが示されていて、図５（ａ）は、騒音源（図５及び図６中、音源）３の数が１つで、制御用マイク５，５及び制御用スピーカ６，６がそれぞれ２台の場合の計算モデルであり、図５（ｂ）は、騒音源（図５及び図６中、音源１及び２）の数が２つで、制御用マイク５，５及び制御用スピーカ６，６がそれぞれ２台の場合の計算モデルである。

図６には、これら計算モデルの想定イメージが示されていて、図６（ａ）は、図５（ａ）に対応し、図６（ｂ）は、図５（ｂ）に対応するものである。表１には、数値シミュレーションの計算ケースとして、ケース１～ケース８まで示されている。

図５中の表記と、図５～図８の説明に限り、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２は、騒音源から発せられる制御対象音の音信号、ｘは、各制御用マイク５，５で観測されコントローラ２に入力される制御対象音の音信号、ｘ’は、バンドパスフィルタ１０を透過した所定の卓越周波数の音信号、ｙは、補正部１２で振幅及び位相が補正された制御音の音信号、ｙ’は、振幅調整部９で調整されてコントローラ２から各制御用スピーカ６，６へ出力される制御音の音信号、Ｃは伝達関数である。伝達関数Ｃに付されている添え字のＳ，Ｓ１，Ｓ２は騒音源、Ｅは制御位置、Ｍはモニタ用マイク、Ｃは制御用スピーカであり、末尾の数字で各制御用マイク５，５からの入力経路と各制御用スピーカ６，６からの出力経路を示している。なお、図５中、制御用スピーカ６，６は、スピーカ１，２と表記され、モニタ用マイク８はモニタ点と表記され、図６中、制御位置４は制御点と表記され、モニタ用マイク８は、モニタと表記されている。

図５（ａ）の場合、制御対象音Ｓの音信号は、
ｘ₁＝Ｃ₁Ｓ
ｘ₂＝Ｃ₂Ｓ
であり、
制御位置４の音信号は、
Ｃ_SEＳ＋Ｃ_CE1ｙ₁’＋Ｃ_CE2ｙ₂’＝０
モニタ用マイク８の位置（モニタ点）で観測される重合音ＳＳは、
Ｃ_SMＳ＋Ｃ_CM1ｙ₁’＋Ｃ_CM2ｙ₂’
である。

図５（ｂ）の場合、制御対象音Ｓ１，Ｓ２の音信号は、
ｘ₁＝Ｃ₁₁Ｓ₁＋Ｃ₂₁Ｓ₂
ｘ₂＝Ｃ₂₂Ｓ₂＋Ｃ₁₂Ｓ₁
であり、
制御位置４の音信号は、
Ｃ_S1EＳ₁＋Ｃ_CE1ｙ₁’＋Ｃ_S2EＳ₂＋Ｃ_CE2ｙ₂’＝０
モニタ用マイク８の位置で観測される重合音ＳＳは、
Ｃ_S1MＳ₁＋Ｃ_CM1ｙ₁’＋Ｃ_S2MＳ₂＋Ｃ_CM2ｙ₂’
である。

実際には、制御用スピーカ６，６によって遅延が生じるが、本シミュレーションでは、考慮しないこととした。外乱（突発的な信号）を与えて、制御の安定性について検証した。

図６に示したように、表１の各計算ケースについて、騒音源Ｓ，Ｓ１，Ｓ２から各制御用マイク５，５までは等距離（０．５ｍ）とし、各制御用スピーカ６，６とモニタ用マイク８との距離、並びに、各制御用スピーカ６，６と制御位置４との距離も、等距離とした。

図７には、騒音源から発せられる制御対象音（騒音）Ｓ，Ｓ１，Ｓ２の音信号（図７（ａ）参照）及び外乱に用いた音信号（図７（ｂ）参照）の周波数特性、並びに時系列特性が示されている。

制御対象音Ｓのソース１では、卓越周波数が１つ存在し、ソース２では、卓越周波数が２つ存在し、時系列変化は、定常及び変動とした。

外乱は、突発的あるいは図６の想定イメージの施設近くを通行する音源を想定したもので、卓越周波数が１つ存在し、１秒間継続するものとした。

シミュレーションにおいて、サンプリング周波数は、２５，６００Ｈｚ、周波数の同定に用いたＬＭＳアルゴリズムのステップサイズは、０．００１、バンドパスフィルタ１０のタップ数は２００とした。シミュレーションに使用したＣＰＵのクロック周波数は３．６ＧＨｚであった。

図８には、表１の計算ケースそれぞれについて行ったシミュレーションの結果が示されている。図の縦軸は、音圧の平均振幅であり、時定数（τ）は１２５ｍｓである。

モニタ用マイク８なしの場合、計算ケース１～４において、アクティブ消音制御により、制御位置での音圧が微増した。

計算ケース５～８については、モニタ用マイク８なしでも、アクティブ消音制御により、制御位置での音圧が低減する場合もあったが、計算ケース１～８のいずれも、モニタ用マイク８がある場合と比較して、低減量が小さい結果となった。

すなわち、モニタ用マイク８がある場合、すべての計算ケースについて、アクティブ消音制御の開始から急速に音圧が低減し、その効果を確認することができた。

モニタ用マイク８がある場合、外乱が存在しても、外乱の開始時に音圧が上昇するものの、発散することはなく、その後、音圧が低減した。

騒音源Ｓ，Ｓ１，Ｓ２が時系列変化する場合（計算ケース２，４，６，８）においても、モニタ用マイク８がある場合、卓越周波数の変動に対して迅速に対応でき、モニタ用マイク８なしの場合と比較して、音圧が低減した。

以上により、フィードバック制御となるモニタ用マイク８を用いた振幅調整によって、複数の制御用スピーカ６，６を用いたシステムに、フィードフォワード型のアクティブ消音制御を適用できること、外乱があっても音圧を低減でき、制御も安定であることが確認でき、妥当な結果が得られた。

≪効果確認試験≫
制御アルゴリズムをコントローラ２に実装し、３次元空間の実験室において効果を確認した。実験状況を図９に、実験ケースを表２に示す。

図９中の表記と、図９～図１２の説明に限り、騒音源（音源）は、２台の音源用スピーカＮ１，Ｎ２とし、スピーカＮ１から卓越周波数が２つ（表２中、６３Ｈｚ，１２５Ｈｚ）、スピーカＮ２から卓越周波数が１つ（表２中、２５０Ｈｚ）の制御対象音をそれぞれ出力した。制御音Ｓ１～Ｓ４を放出する制御用スピーカ６は４台とし、事前の配置検討に基づき、振幅上限値Ａと振幅低減係数Ｂを決定した。効果を確認する制御位置（制御点）４としては、実験室の中心位置１箇所と、実験室内の空間を占める対象領域内の４箇所の２パターンとした。この効果確認試験では、制御用マイク５については、２つを、音源用スピーカＮ１，Ｎ２それぞれの近傍に設置し、１つの制御用マイク５で、２つの制御用スピーカ６を制御するようにした。

計測用マイクは、実験室内の高さ１．２ｍ、１．４ｍ、１．７ｍの各位置に、０．５ｍピッチで９個設けた。これら計測用マイクにより、制御の効果として現れる音圧差を確認した。

図１０には、制御位置４を対象領域とした場合の制御効果が示されている。図中のプロットの値は、対象領域内の各計測点（計測用マイク９個×計測高さ３面＝２７点）で計測された音圧の平均値（制御の効果（領域平均）［ｄＢ］）である。

制御位置４が対象領域内の４箇所である場合と比較して、中心位置である場合の方が、効果が小さくなる傾向が確認できた。

制御位置４が中心であるか、対象領域内の４箇所であるかにかかわらず、モニタ用マイク８によるフィードバック制御により、効果が向上した。２５０Ｈｚで比較すると、モニタ用マイク８ありの場合、制御位置４が中心１箇所のとき、約５ｄＢ、対象領域内の４箇所のとき、約８ｄＢとなった。

図１１及び図１２には、騒音源（音源）Ｎ１，Ｎ２が２５０Ｈｚのときに、測定で確認された効果の平面分布の一例が示されている。両図とも、モニタ用マイク８による制御を行った場合である。

図１１に示されているように、制御位置４が実験室の中心位置である場合、消音効果は、当該中心位置で最も高く、２０ｄＢを超えたが、中心位置から離れるにつれて効果が小さくなり、対象領域の一部では、消音制御により、音圧が増幅された。

音圧の増加は、中心位置の制御位置４では、騒音源（音源）とした音源用スピーカＮ１，Ｎ２からの騒音と、制御用スピーカ６からの制御音Ｓ１～Ｓ４とが重なり合って打ち消し合うのに対し、それ以外の場所では、騒音と制御音にずれが生じて、効果的に打ち消し合わないことが原因として考えられる。

また、制御音Ｓ１～Ｓ４を放出する制御用スピーカ６を４台使用したため、騒音を放出する音源用スピーカＮ１，Ｎ２の騒音の放射方向とは反対方向から制御音を放出する制御用スピーカ６があり、モニタ用マイク８を用いた振幅の調整では、中心位置（制御位置）以外の効果の低下及び周辺での音圧増幅の傾向を適切に抑制し得なかったと考えられる。

これに対し、図１２に示されているように、制御位置４を対象領域とした場合、消音効果が高い場所は騒音源に近い位置に分布し、また、対象領域での効果の差は、制御位置４が中心位置である場合と比較して、小さくなった。

これは、各計測用マイクの位置で騒音と打ち消しあった制御音が、他の計測用マイクの位置で、別の制御用スピーカから放出された制御音と干渉し合うけれども、モニタ用マイク８を用いた制御音の振幅のフィードバック制御により、複数の制御用スピーカ６それぞれから放出される制御音の振幅が異なるため、増幅の傾向が抑制されたためと考えられる。

本実施形態に係るアクティブ消音装置１及びアクティブ消音方法にあっては、工場などの生産施設等において、作業領域の環境改善を目的として、局所的な消音効果を確保することができる。

制御音を放出する複数の制御用スピーカ６を用いると共に、これら複数の制御用スピーカ６に対し、フィードバック制御用のモニタ用マイク８を用いて、制御用スピーカ６同士（制御音同士）の影響を抑制して、対象領域４の騒音を制御することができる。

シミュレーションで、制御の収束速さや安定性は、モニタ用マイク８によるフィードバック制御を行わない場合とほぼ同等であった。

試験では、制御位置（計測用マイクの設置位置）４の設定により、対象領域における平均８ｄＢ程度の制御効果が確認された。

図１３には、上記実施形態の変形例が示されている。上記実施形態では、図２及び図３で例示したように、一つの騒音源３に対して、２つの制御用マイク５，５、各制御用マイク５，５個々から入力される２つの制御対象音を処理するように２つの制御音信号作成部７，７、並びに各制御音信号作成部７，７個々からの２つの制御音の音信号を出力する２つの制御用スピーカ６，６でアクティブ消音装置１を構成する場合について説明した。

しかしながら、本発明にかかるアクティブ消音装置１及びアクティブ消音方法は、このような実施形態に限定されない。

騒音源３が１つであっても複数であってもその数に左右されず、制御用スピーカ６は、２つ以上複数設置される。空間的に広がりのある領域を対象として消音効果を得るためには、制御用スピーカ６は複数が必要であり、騒音源３の数と、制御用スピーカ６の数を対応させる必要はない。

他方、騒音源３が１つであっても複数であってもその数に左右されず、制御用マイク５は、１つであっても複数であってもよい。すなわち、１つの騒音源３に対して制御用マイク５は１つ以上あればよく、騒音源３の数と、制御用マイク５の数を対応させる必要はない。

制御用スピーカ６と制御用マイク５の関係でも、制御用スピーカ６の数と、制御用マイク５の数を一致させる必要はない。

１つの制御用マイク５であっても、この制御用マイク５で音圧の大きな所定の卓越周波数を観測し、コントローラ２で制御音の音信号を作成して、複数の制御用スピーカ６から制御音を放出できるからである。好ましくは、制御用スピーカ６の数を、制御用マイク５の数以上とする。

制御用マイク５の数よりも制御用スピーカ６の数が多い場合、単一のコントローラ２で、制御用スピーカ６の台数分の制御音の音信号を作成し、すべての制御用スピーカ６へ出力するようにする。

図１３は、そのような様子を示していて、図示は、図５（ａ）の変形で、制御用スピーカ６を２つ追加している。

制御用スピーカ６個々は固有の位相ずれがあるため、予め計測したこれら制御用スピーカ６の位相のずれに対して補正処理を行うために、制御音信号作成部７には、これら追加の制御用スピーカ６に対応する補正部１２が追加して設けられる。

制御音信号作成部７では、同定部１０からの信号に対し、追加の各制御用スピーカ６の補正処理が補正部１２で行われ、これによって作成された追加の各制御用スピーカ６に対応する制御音の音信号が単一のコントローラ２から出力されるようになっている。

以上説明した本実施形態に係るアクティブ消音装置１及びアクティブ消音方法にあっては、制御位置４もしくは制御位置４近傍に設けられ、制御対象音Ｎと制御音Ｓ１，Ｓ２とが重なり合った重合音ＳＳを観測してコントローラ２へ出力するモニタ用マイク８と、コントローラ２に設けられ、モニタ用マイク８から入力された重合音ＳＳに応じて、フィードバック制御により、各制御音信号作成部７で作成された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅を調整する振幅調整部９とを備え、コントローラ２の振幅調整部９で、モニタ用マイク８から入力された重合音ＳＳに応じ、フィードバック制御により、各制御音信号作成部７により作成された各制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号の振幅を調整する処理を実行するので、制御用スピーカ６から騒音を低減したい（消音したい）場所４へ向けて制御音Ｓ１，Ｓ２をそれぞれ放出して騒音源３からの騒音Ｎをアクティブに消音する場合に、制御用スピーカ６の性能特性及び制御用スピーカ６の設置位置（制御用スピーカ６と騒音を低減したい場所４との距離）が異なっても、制御用スピーカ６からの制御音Ｓ１，Ｓ２同士の干渉を抑制することができ、制御用スピーカ６により、空間的に広がりのある領域を対象として消音効果を確保することができる。

また、複数台の制御用スピーカ６それぞれから異なる制御音Ｓ１，Ｓ２を個別に放出することが可能であることから、複数の制御用マイク５及び複数の制御用スピーカ６を備えて、騒音源３が複数の場合や、制御対象音Ｎ中の対象卓越周波数が複数の場合であっても適用して、アクティブ消音制御することができる。

振幅調整部９による振幅の調整は、制御用スピーカ６に対して振幅上限値Ａ及び振幅を小さくする振幅低減係数Ｂを設定し、重合音ＳＳの平均振幅が振幅上限値Ａ以下であるときは、制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号をそのまま出力し、振幅上限値Ａを超えているときは、制御音Ｓ１，Ｓ２の音信号を振幅低減係数Ｂで調整して出力するので、制御音Ｓ１，Ｓ２同士の干渉をフィードバック制御により適切かつ迅速に収斂させることができる。

１アクティブ消音装置
２コントローラ
３騒音源
４制御位置
５制御用マイク
６制御用スピーカ
７制御音信号作成部
８モニタ用マイク
９振幅調整部
１０バンドパスフィルタ
１１同定部
１２補正部
Ａ振幅上限値
Ｂ振幅低減係数
Ｎ制御対象音
Ｓ１，Ｓ２制御音
ＳＳ重合音
Ｖ_ave 重合音の平均振幅

Claims

一つもしくは複数の騒音源から制御位置へ向けて発せられる制御対象音を観測する一つもしくは複数のマイクと、
上記制御位置へ向けて上記制御対象音を低減する制御音を放出する複数のスピーカと、
上記マイク個々から上記制御対象音の音信号が入力され、上記スピーカ個々へ上記制御音の音信号を出力する単一のコントローラと、
該コントローラに一つもしくは複数設けられ、上記マイク個々からの上記制御対象音の音信号が入力され、上記制御対象音を低減する上記制御音の音信号個々を、フィードフォワード制御によって作成し上記スピーカ個々へ出力する制御音信号作成部と、
上記制御位置もしくは該制御位置近傍に設けられ、上記制御対象音と上記制御音とが重なり合った重合音を観測して上記コントローラへ出力するモニタ用マイクと、
上記コントローラに設けられ、上記モニタ用マイクから入力された上記重合音に応じて、フィードバック制御により、上記制御音信号作成部で作成された上記制御音の音信号の振幅を調整する振幅調整部とを備えたことを特徴とするアクティブ消音装置。
前記制御音信号作成部は、前記マイクから入力される前記制御対象音の音信号に含まれる所定の卓越周波数の音信号を透過させるバンドパスフィルタと、
該バンドパスフィルタを透過した上記卓越周波数の音信号を、上記マイクから入力される上記制御対象音の音信号に基づいて同定する同定部と、
前記制御位置で前記制御音が前記制御対象音と同振幅及び逆位相となるように、上記同定部で同定した上記卓越周波数の音信号に対して振幅及び位相の補正を行って前記制御音の音信号を作成する補正部とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ消音装置。
前記振幅調整部は、複数の前記スピーカ個々に対して振幅上限値及び振幅を小さくする振幅低減係数が設定され、前記モニタ用マイクから入力された前記重合音の平均振幅が上記振幅上限値以下である上記スピーカに対しては、前記制御音信号作成部で作成された前記制御音の音信号をそのまま前記コントローラから出力し、上記重合音の平均振幅が上記振幅上限値を超えている上記スピーカに対しては、上記制御音信号作成部で作成された上記制御音の音信号を上記振幅低減係数で調整して上記コントローラから出力す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消音装置。
請求項１または２に記載のアクティブ消音装置を用い、
前記単一のコントローラの一つもしくは複数の前記制御音信号作成部で、フィードフォワード制御により、一つもしくは複数の前記マイク個々から入力される前記制御対象音の音信号個々に対して、前記制御対象音を低減する前記制御音の音信号個々を作成し複数の前記スピーカ個々へ出力する第１ステップと、
上記単一のコントローラの前記振幅調整部で、前記モニタ用マイクから入力された前記重合音に応じ、フィードバック制御により、上記第１ステップで上記制御音信号作成部により作成された上記制御音の音信号の振幅を調整する第２ステップと、
該第２ステップで振幅調整された上記制御音の音信号が上記コントローラから入力される前記スピーカ個々が、前記制御位置へ向けて前記制御音を放出する第３ステップとを含むことを特徴とするアクティブ消音方法。
前記振幅調整部は、複数の前記スピーカ個々に対して振幅上限値及び振幅を小さくする振幅低減係数が設定され、前記モニタ用マイクから入力された前記重合音の平均振幅が上記振幅上限値以下である上記スピーカに対しては、前記制御音信号作成部で作成された前記制御音の音信号をそのまま前記コントローラから出力し、上記重合音の平均振幅が上記振幅上限値を超えている上記スピーカに対しては、上記制御音信号作成部で作成された上記制御音の音信号を上記振幅低減係数で調整して上記コントローラから出力することを特徴とする請求項４に記載のアクティブ消音方法。