JPH07219557A

JPH07219557A - アクティブ消音装置

Info

Publication number: JPH07219557A
Application number: JP6008154A
Authority: JP
Inventors: Koji Iwase; 幸司岩瀬; Katsuo Oki; 克夫大木; Shinichi Shimoide; 新一下出; Osamu Sekiguchi; 治関口; Masanori Watabe; 眞徳渡部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【構成】消音動作を適応時に実行するのに必要な適応フ
ィルタ１０を先頭部に多く存在するように移動するブロ
ック内で更新計算を実行するアクティブ消音装置。【効果】適応フィルタの更新に必要な演算量を大幅に軽
減できるので、サンプリングの高速化及び演算量の余裕
により多機能化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、騒音源からの伝搬音波
に対して逆位相で、かつ、同一音波を新たに発生させ、
消音する消音装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機器などから発生する騒音を減少するに
は、様々な手法がある。これらの方法の中で、管路内を
伝搬する騒音に対して実用化されている能動型消音器、
即ち、騒音源から伝搬してきた騒音に対して同一音圧で
逆位相の付加音を放射して音波の干渉を利用して消音効
果を得るアクティブノイズコントロール（ＡＮＣ）とい
う技術を利用した消音装置が着目されつつある。

【０００３】この消音装置は、電子デバイス，信号処理
技術等の急速な発達に伴って、最近様々な観点からの研
究成果が次々に発表されている。しかし、解決すべき多
くの問題が山積みされている。

【０００４】特に、騒音源の性質が時間的に変化する場
合には音源の性質が変化するよりも速く制御、即ち、リ
アルタイムでの制御を行う必要がある。このために、よ
り速く制御、即ち、データのサンプリングの高速化に伴
う消音可能な周波数を高くする手法の開発が待たれてい
る。

【０００５】ＡＮＣではFiltered-x LMS(最小二乗平均
法)と呼ばれる適応制御のアルゴリズムが用いられるこ
とが多い。このアルゴリズムは適応制御のアルゴリズム
の中では演算量が少なく、必要なメモリが少なく、適応
が安定して行われる等の利点を持つ反面、適応速度が遅
いという欠点を持っている。

【０００６】特開昭64−58200 号公報に記載のもので
は、制御用，パラメータ修正用の二つの係数格納用の記
憶装置と、二つの入力信号用の記憶装置とを持たせる方
法が試みられているが、記憶容量が大きくなるなどの欠
点があり、係数更新時に要する時間はそれほどは低減さ
れず、データのサンプリング周波数の上限を大幅に高く
することは困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＡＮＣで用いられるFi
ltered-x LMS(最小二乗平均法)などの適応制御のアルゴ
リズムを用いたときに、制御に必要な処理数を低減する
ことによって、特に新しいハードを必要とすることなく
データのサンプリング周波数を高くすることを可能と
し、これによって、広い周波数範囲で消音効果を得るこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】騒音源の騒音と相関の高
い情報を検出し、電気信号に変換する騒音情報検出手段
と、伝搬音波を所定位置で打ち消すための音波を放射す
る一つ又は複数の付加アクチュエータと、前記所定位置
に設けられた一つ又は複数のエラー信号検出器と、前記
騒音情報検出手段の出力信号を取り込み、前記エラー信
号検出器の出力が最小となるように前記付加アクチュエ
ータに与える駆動信号を作成する駆動信号作成手段と、
前記騒音源からの伝搬音波に対して、逆位相で同一音圧
の音波を発生させ所定位置でその二つの音波の干渉によ
り消音をするアクティブ消音装置において、前記騒音情
報検出手段の出力に畳み込み積分を行い、前記付加アク
チュエータに与える駆動信号を生成するための適応フィ
ルタにおいて、適応フィルタの係数のうち連続した一部
分の係数（以下、ブロックと呼ぶ）を、データのサンプ
リング毎に更新すると共に、前記ブロックを適応フィル
タ内で時分割に移動する手段を設ける。

【０００９】前記ブロックの先頭番地を、適応フィルタ
の低次の部分ほど高い確率となるような手段を設ける。

【００１０】前記ブロックの先頭番地を、ランダム数を
用いて決定する手段を設ける。

【００１１】ランダム数Ａの平均値をＢとし、その分布
範囲を２Ｂとしたとき、前記ブロックの先頭位置をＤと
すると、

【００１２】

【数１】Ｄ＝｜Ａ−Ｂ｜−Ｃ（｜Ａ−Ｂ｜−Ｃ＞０のとき）＝０（｜Ａ−Ｂ｜−Ｃ≦０のとき）とする手段を設ける。

【００１３】

【作用】本発明の消音装置では、騒音源からの音波と付
加アクチュエータからの音波とを干渉させて、エラー信
号検出器（エラーマイク）の出力（エラー信号）が最小
となるように、付加アクチュエータへの入力信号を作成
する。付加アクチュエータへの入力信号は騒音情報検出
手段の出力信号を用いて、駆動信号作成手段により作成
する。ここで、以下の説明のためにエラー信号をｅ，騒
音情報検出手段の出力信号をｘ，付加アクチュエータへ
の入力信号とエラー信号検出器出力信号間の伝達関数を
Ｃ，駆動信号作成手段で騒音情報検出手段の出力信号ｘ
に掛けられる重み関数（適応フィルタ係数）をＷ，付加
アクチュエータへの入力信号をＹとすると、ＹはＷとＸ
の畳み込み積分により演算される。このＹを付加アクチ
ュエータを通して出力し、騒音源からの音波と付加アク
チュエータからの音波の合成された音波、即ち、エラー
信号ｅを小さくなるように、Ｗの値を適応的に更新する
必要がある。

【００１４】この方法の一つであるFiltered-x LMSアル
ゴリズムでは、

【００１５】

【数２】Ｗ_new＝Ｗ_old−２μ(ＣＸ)ｅという演算式で適応フィルタ係数Ｗの更新が実行され
る。適応フィルタ係数Ｗは、制御の実行される環境及び
対象とする騒音の性質によってその係数の数が決定され
る。このうち、ＣＸ畳み込み積分の項は別に演算し、こ
れをＲとおく。すると、係数更新の総演算量は、適応フ
ィルタ係数の数をｎとして、付加アクチュエータ一つと
エラー信号検出器一つの組合せに対して、乗算（ｎ＋
１），加算ｎとなる。このため付加アクチュエータの
数、エラー信号検出器の数が増加すると、演算量はかな
りの量に達する。このために、単位時間内の演算量が多
くなり、高速のデータサンプリングができなくなる。そ
こで、適応フィルタ係数Ｗの更新を一度のデータサンプ
リング毎に行うのではなく、時分割に小さな領域ごとに
行う。適応フィルタ係数Ｗの中に連続した係数の領域
（ブロック）を考え、一回のサンプリングではそのブロ
ックのみの係数を更新する。このようにすることによ
り、一回のサンプリング毎の総演算量をブロックの長さ
と適応フィルタの長さとの比に相当する量に低減でき
る。これによって、一回当りの係数更新に要する演算量
を大幅に短く、即ち、演算時間を大幅に短く出来ること
から、サンプリング周波数を高くすることが可能にな
り、高い周波数までの消音が可能になる。一方、消音可
能な最高周波数が同一で良い場合には、付加アクチュエ
ータやエラー信号検出器の数を増やすことが出来るの
で、たとえば、消音空間の拡大につながる。

【００１６】しかし、このままでは係数の更新が毎時行
われるわけではないので、消音をするのに必要な時間が
長くなってしまう。一方、振動によって発生する騒音な
どでは、自由振動成分が残るので、騒音源情報として、
構造体へ加わる力を検出すると、適応フィルタ係数は低
次の部分ほど値が相対的に大きくなる。従って、適応フ
ィルタの係数の更新を低次の部分ほど多く行うことによ
って、適応フィルタの係数の低次の部分ほど適応を速く
することができる。即ち、収束の劣化を小さくすること
ができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であ
る。ダクト１３の内部には吸音材１４が内貼されてお
り、その内壁にマイクロホン１，４，スピーカ７が配置
されている。マイクロホン１は騒音源からの騒音を検知
する騒音情報検出手段であり、その出力はアンプ２を介
して増幅され、Ａ／Ｄ変換器３によって、ディジタル量
に変換される。マイクロホン４は騒音を消去したい場所
に設けられたエラー信号検出器であり、ここでは、エラ
ーマイクと呼ぶことにする。エラーマイク４の出力は、
アンプ５によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器６によってデ
ィジタル量に変換される。スピーカ７は付加アクチュエ
ータであり、新たに加える音を放射するもので、ここか
ら放射された音波はエラーマイク４の位置で、騒音源か
らの音波と逆位相で、且つ、同振幅となるように、駆動
信号作成手段であるマイコン（マイクロコンピュータ）
１５で制御されている。マイコン（マイクロコンピュー
タ）１５はその内部に適応フィルタ１０と空間フィルタ
１１とＬＭＳアルゴリズム１２を実行する部分を持ち、
さらに、Ａ／Ｄ変換器とかＤ／Ａ変換器などの制御を行
っている。以下にマイコン（マイクロコンピュータ）１
５の動作を説明する。マイクロホン１の出力系統のディ
ジタル量（以下基準信号と呼ぶ）Ｘからスピーカ７に与
える信号ｙを求める。信号ｙは基準信号Ｘと適応フィル
タ係数Ｗを畳み込み積分することによって得られ、Ｄ／
Ａ変換器９，アンプ８を介してスピーカ７に与えられ
る。この適応フィルタ係数ｗは環境などが時間的に一定
であれば実験的に求めて固定して扱うことも可能である
が、一般には温度などが時間的に変化するために適応フ
ィルタ係数Ｗは時々刻々最適になるように更新する必要
がある。この適応フィルタＷの更新には、適応制御の一
種であるＬＭＳアルゴリズム(最小二乗平均法)を用い
る。あらかじめ伝達関数特定手段によりスピーカ７の入
力信号からマイクロホン４の出力信号間での伝達関数
（空間フィルタ）Ｃを求めておいて、ＣとＸとを畳み込
み積分しＲを作成する。この後に、作用の項で述べた更
新式を実行、即ち、ＬＭＳアルゴリズム１２を実行する
ことにより、適応フィルタ係数を更新している。

【００１８】本実施例では、Ａ／Ｄ変換器３，６のデー
タ採取毎に、適応フィルタ係数の中に考えた、連続する
あるブロック毎に係数を更新し、かつ、そのブロックの
適応フィルタ係数内の位置データを採取毎に変更し、適
応フィルタ１０の更新を行っている。

【００１９】マイコン１５には、この発明では、積和演
算を高速に行うディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳ
Ｐ）を用いている。マイコン１５の各サンプリング毎に
必要な演算は、主に適応フィルタ係数Ｗと基準信号Ｘと
の畳み込み積分，空間フィルタＣと基準信号Ｘとの畳み
込み積分とＬＭＳアルゴリズムの実行及び基準信号ｘ及
び仮想基準信号Ｒのデータの移動などである。これらの
演算は、各フィルタの係数の数によっておおむねその量
が決定される。適応フィルタＷと空間フィルタＣのタッ
プ数が同じである本実施例では、適応フィルタ更新部分
の演算量の割合は全演算量の約１／３となる。１回で更
新するブロック長を適応フィルタ長の１／４とすること
により、全体の演算量を２０％低減することができる。

【００２０】図２に、図１の実施例の適応フィルタ係数
の係数更新の手続きを示す。

【００２１】このうち、適応フィルタ係数のうちの長さ
Ｌのブロック部分の係数の先頭番地を求める部分につい
て詳述する。

【００２２】ランダム数は図には示していないが、Ｍ系
列信号を用い、そのＭ系列信号を１つのレジスタを用い
ることにより生成更新している。このランダム数Ａをラ
ンダム数の平均値Ｂで引くことにより、Ａ₁ を作成す
る。このようにすることにより、Ａ₁ は０の付近の確率
が最大で、平均値Ｂの位置で最小となるような数の集合
となる。このままでは、ブロックの長さの分だけ、実際
の係数が更新されるので、Ａ₁が０の位置よりかなり大
きい所でのＡ₁の確率が最大となってしまう。そこで、
ここではＡ₁ から正の数Ｃを引き、さらに絶対値化しＤ
を求めている。このＤが負になる所は０とすることによ
り、０の値のみが大きな確率となる。このＤの所からブ
ロックの長さＬの部分の適応フィルタの係数を更新する
演算を行っている。このような方法を採用することによ
り、適応フィルタ係数の低い次数の所の係数更新をする
確率を高くすることができる。

【００２３】本発明では上述した構成をとっているの
で、以下に示す効果が得られる。

【００２４】適応フィルタ係数の係数値が相対的に大き
い係数の低次部分の係数更新を多く行うことにより、消
音速度の低下を著しく抑えることができる。

【００２５】データのサンプリング間隔内で実行しなく
てはならない必要な演算量が低減できるので、同一のマ
イコンを用いるのであれば、演算量に余裕を持たせるこ
とができる。

【００２６】例えば、同一のサンプリング周波数であれ
ば処理の発散防止などの機能を付加するなど、機能向上
を図ることが可能となる。

【００２７】また、サンプリング周波数を向上させる場
合には、サンプリング周波数を２０％向上させることが
でき、これによってより高い周波数帯域の消音を可能に
することができる。さらに、Ａ／Ｄ変換器の前などに必
要なローパスフィルタの遮断周波数を高くすることがで
きるので、処理系の遅れ時間を減らすことができる。こ
れによって、マイクロホン１とスピーカ７の距離を短く
することができる。

【００２８】本発明の第二の実施例を、図３を参照して
説明する。

【００２９】閉空間内には騒音源１５が設置されてお
り、それに近接してマイクロホン１が設けられ、アンプ
２，Ａ／Ｄ変換器３を介して基準信号ｘがマイコン１５
に取り込まれる。スピーカ７−１，７−２，７−３は３
ヶ設けられ、エラーマイク４−１，４−２，４−３も３
ヶ設けられている。この３ヶのエラーマイク４−１，４
−２，４−３の出力を小さくするように消音動作させる
ことにより、空間内の人の耳元付近などの、ある領域の
音を消音するものである。適応フィルタは、３ヶのスピ
ーカ７−１，７−２，７−３に対応して３ヶ用意されて
いる。また、FIRフィルタ１１は、スピーカ７−１，７
−２，７−３からエラーマイク４−１，４−２，４−３
迄の音源の空間伝達特性を表わすものであり、９ヶ用意
されており、これらは基準信号ｘと畳み込み積分され
て、９ヶの仮想入力Ｒが生成される。ＬＭＳアルゴリズ
ム１２は、９ヶの仮想入力と３ヶのエラーマイク出力を
用いて実行され、３ヶの適応フィルタの更新が実行され
る。

【００３０】適応フィルタ１０は、全体の１／６の長さ
をもつブロック内で、適応フィルタ１０の先頭部に多く
存在するように、各サンプリング毎に移動しながら係数
更新され、さらに３ヶの適応フィルタもそれぞれ別々に
各サンプリング毎に更新されている。

【００３１】本実施例では以上のように構成されている
ので、以下の効果がある。

【００３２】適応フィルタ更新部は１／６の長さのブロ
ック内と、さらに３ヶの適応フィルタ更新が別々に実行
されているので、適応フィルタ更新に要する演算量は１
８分の１に軽減されている。これによって、能動消音に
要する全体の演算を大幅に軽減でき、演算量に余裕を持
たせることができる。

【００３３】また、係数更新を適応フィルタの数値の大
きくなりやすいフィルタの低次部分に多く位置するよう
にしているので、演算量の低下に対して収束性はほとん
ど低下していない。

【００３４】また、サンプリング周波数を向上させるこ
とも可能である。さらに、ディジタルシグナルプロセッ
サを多数台用意できれば、それぞれの演算を並列処理さ
せることにより高速な処理が可能になるなど、多入力多
出力系の能動システムに向いている。

【００３５】

【発明の効果】本発明の消音装置によれば、能動消音に
必要な適応フィルタの更新に必要な演算量を大幅に軽減
でき、高い周波数迄、また多入力多出力のシステムの能
動消音装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示した消音装置のブロック
図。

【図２】図１で示した消音装置の適応フィルタ更新手順
を示すフローチャート。

【図３】本発明の他の実施例を示した消音装置のブロッ
ク図。

【符号の説明】１，４…マイクロホン、２，５，８…アンプ、３，６…
Ａ／Ｄ変換器、７…スピーカ、９…Ｄ／Ａ変換器、１０
…適応フィルタ、１１…ＦＩＲフィルタ、１２…ＬＭＳ
アルゴリズム、１５…マイコン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者関口治茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者渡部眞徳茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】騒音源の騒音と相関の高い情報を検出し、
電気信号に変換する騒音情報検出手段と、伝搬音波を所
定位置で打ち消すための音波を放射する一つ又は複数の
付加アクチュエータと、前記所定位置に設けられた一つ
又は複数のエラー信号検出器と、前記騒音情報検出手段
の出力信号を取り込み、前記エラー信号検出器の出力が
最小となるように前記付加アクチュエータに与える駆動
信号を作成する駆動信号作成手段と、前記騒音源からの
伝搬音波に対して、逆位相で同一音圧の音波を発生させ
所定位置でその二つの音波の干渉により消音をするアク
ティブ消音装置において、前記騒音情報検出手段の出力
に畳み込み積分を行い、前記付加アクチュエータに与え
る駆動信号を生成するための適応フィルタの係数のうち
連続した一部分の係数を、データのサンプリング毎に更
新すると共に、前記連続した一部の係数を適応フィルタ
内で時分割に移動する手段を設けたことを特徴とするア
クティブ消音装置。