JPH07504991A - 多変換器を備えたエンクロージュアの能動騒音制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 多変換器を備えたエンクロージュアの能動騒音制御及■史亘ぷ 本発明は、複数の残差反復現象センサ及び複数の相殺アクチュエータが設けられ ている装置における反復現象の相殺を制御する改良した装置の開発に関する。特 定の場合にマイクロホンセンサと拡声器をそれぞれ反復現象センサと相殺アクチ ュエータとして相殺される反復現象は、好ましくない騒音であることがある。特 定の他の場合に振動センサと逆振動アクチュエータをそれぞれ反復現象センサと 相殺アクチュエータとして相殺される反復現象は、好ましくない物理的振動であ ることがある。

騒音相殺問題に対する時間領域アプローチがニス・ジェイ・エリオツド（Ｅｌｌ ｉｏｔＬｌ　、アイ・エム・ストロザス（Ｓｔｒｏｔｈｅｒｓｌ　、及びビー・ エイ・ネルラン（Ｎｅｌｓｏｎｌ著の論文「多重誤差ＬＭＳアルゴリズムとその 音響及び振動の能動制御への応用Ｊ　、　ＩＥＥＥ）ランザクジョン・オン・ア クスチック・アンド・シグナル・プロセシング（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏ ｎｓ　ｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、５ｐｅｅｃｈ、　ａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐ ｒｏｃｅｓｓｉｎｇｌ、ＡＳＳ−３５巻、第１０１号、　１９８７年ｌＯ月、第 １４２３〜１４３４頁に示されている。

上記論文に教示されているアプローチは、騒音信号から導かれた単−基＄信号を ＬＭＳアルゴリズムの修正版によって調節されるタップを有するＮ、個のＦＩＲ フィルタを通すことによって相殺アクチュエータ信号を発生する。信号が騒音周 期と同時に標本化されるという仮定は必要でない、実際に、上記のアプローチは 、論文の最初の部分において騒音信号が周期的でなければならないと仮定してい ない。しかし、上記のアプローチは、アクチュエータとセンサの信号に関するイ ンパルス応答のマトリックスが分かつていると仮定している。インパルス応答を 評価する方法についての示唆はなされていない。

この問題の解釈に対する周波数領域アプローチは装置のブロック図である本明細 書の図５に示されているように以下のように与えられる。

この装置は複素数のＮａＸ１列である信号Ｃを作る制御装置によって駆動される １組のＮ、個のアクチュエータからなっている。

１組のＮ１個のセンサがアクチュエータ信号と望ましくない騒音の和を測定する 。センサの出力は、各高調波においてＲ＝　Ｖ　＋　ＨＣ の形を持っているＮｇＸｌａ差ベクトルＲであり、ここで■は、騒音成分のＮ、 ×１列ベクトルであり、Ｈは、問題の高調波におけるアクチェエータとセンサの 間のＮ、×Ｎ、伝達関数マトリックスである。

本発明が扱う問題は、誤差成分の二乗値の和を最小にするアクチュエータ信号を 選ぶことである。アクチュエータ信号が現在必ずしも最適でない値Ｃに設定され ていること及び最適値がＣ，、、を二〇＋ｄＣであることを仮定する＊Ｃｅｐｔ を持った残余はＲｅ　＝）ｌ　（Ｃ＋ｄＣ）＋Ｖ＝　（ＨＣ＋Ｖ）＋ＨｄＣとな ろう０問題は、和の二乗の誤差 Ｒ，（！　Ｒ。

を最小にするｄＣを見いだすことであり、ここで、ｅは、兵役転置を表わす、こ の問題の等価ないい方は、ＨｄＣが−Ｒに対する最小二乗近似値となるようにｄ Ｃを見いだすことである。この問題は、式 ％式％ によって表わされる。

最小二乗問題に対する解は、広範に研究されてきた。一つのアプローチは、ｄＣ の成分の実数部分と虚数部分に関する和の二乗誤差の導関数をＯに等しいと置く ことである。これは、「正規方程式」Ｈｌ！ＨｄＣ＝−Ｈ”Ｒ となる。

Ｉ］の各列が線形的に独立であれば、Ｃにおける必要な変化のための閉じた形の 解は ｄＣ＝−［ＨＣＨ］　−’ＨＣＲ である。

本発明は、それぞれのアクチュエータとセンサの間の相互作用をワーナカ（Ｗａ ｒｎａｋａｌの米国特許第４，４７３，９０６号、エイリクラン（Ｅｒｉｋｓｓ ｏｎｌの米国特許第４，６７７．６７６号と第４，６７７．６７７号及びチャプ リン（（：ｈａｐｌｉｎ）の米国特許第４，１５３，８１５号、第４．１７．０ １３９号、第４．４９０，８４１号によって例示されたような従来の単一点相殺 技術にあるようなセンサとアクチュエータの特定な組合せを必要としないで調節 する方法と装置を提供する。本発明はまた、上述のエリオ・ソト他の論文及び反 復現象の選択された高調波を相殺する手段を与えない時間領域フィルタを用いる ことによって多センサとアクチュエータの間の相互作用を扱っているワーナカの 米国特許第４．５６２．５８９号に記載されているような従来の技術からはずれ たものである。

能動騒音制御が　マフラ、ヘッドセット、エンジンマウント、ファンなどの適用 面において低周波騒音を低減するのに有効であると証明された。適応制御が能動 騒音減衰の実現に有効な技術であると分かった。殆どの適用面が単一チャンネル 適応制御（一つのセンサとアクチュエータの対）またはチャンネル間の相互作用 が無視できるとき多重チャンネルに集中していた０機室消音や能動エンクロージ ュアなどの適用面が多重チャンネル制御アルゴリズムの必要性を明らかにした。

これらの適用面においては騒音源が複雑なために、単一変換器では必要な領域で 減衰を行うことができないであろう。

なお、多産換器についての相互作用が、その相互作用が制御過程において考えら れなければ、適応アルゴリズムを不安定にする原因になる可能性がある。メリー ランド（Ｍａｒｙｌａｎｄｌ大学がＭＩＳＡＣＴアルゴリズムを開発した。本発 明は、複数開口と多産換器を持ったエンクロージュアから放射する騒音を制御す る問題を考慮している。

ＭＩＳＡＣＴアルゴリズムの性能が実験によるものとシミュレーションモデルを 用いたものとの両方で示されている。

従来は、能動騒音制御がマフラ、ヘッドセットなどの適用面において低周波騒音 を低減するのに用いられていた。これらの試みは、ジー・イードウェル（１１： ａｔｗｅｌｌ、］、エム・ジエイ・パーク（Ｂｕｒｋｅｌ　を力・エグテサジ（ Ｋｈ、　Ｅｇｈｔｅｓａｄｉｌ及びダブリュウ　・イー・ゴスマンｆＧｏｓｓｍ ａｎｌ　によって無騒音回転についての１９９０年国際会議において提出された 「車両の騒音と振動に対する能動相殺の適用」という題名の論文に述べられた。

適応制御の使用は、能動騒音減衰を具体化するのに有効であると分かった。この 現象について提出された種々の論文には次のものがある。

ビー・ウィドロウ（ｌｌｉｄｒｏｗ）　ｒ適応騒音相殺：原理と応用」、プロシ ーディング・オン・ザ　ＩＥＥＥ、６３（１２１，１９６２〜１７１Ｇ、１９７ ５年、ニス・ジエ・イ・エリオンｈ　ｆＥｌｌｉｏＬｔｌ、アイ・ストザ（ＳＬ ｏｔｈｅｒｌ、及びビー・ネルラン（Ｎｅｌｓｏｎｌ、「多誤差ＬＭＳアルゴリ ズムとその音響及び振動の能動制御への応用Ｊ　、　ＩＥＥＥ＋−ランザクジョ ン・オン・アクスチック・アンド・シグナル・プロセシング（ＩＥＥＥＴｒａｎ ｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、　５ｐｅｅｃｈ、ａｎｄ　Ｓｉ ｇｎａｌ　ＰｒｏｃｅｓＳｉｎｇＩＡＳＳ−３５巻、第１０号、　１９８７年ｌ Ｏ月、第１４２３１−１４３４頁。

ＭＩＳＡ（１，Ｔアルゴリズム［多重相互作用アクチュエーたとセンサ（Ｍｕｌ ｔｉｐｌｅ　ＩｎｔｅｒａｃＬｉｎｇ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　ａｎｄ　５ｅｎｓ ｏｒｓｌＪ　の使用法が力１エグテサジ、エム・ビー・マクロウリンｆＭｃＬｏ ｕｇｈｌｉｎｌ及びエム・ダブリユウ・ジーグラ・ジュニアｆＺｉｅｇｌｅｒ、 　Ｊｒ、　ｌの「多重相互作用するセンサとアクチュエータｆＭＩｓＡｃＴ＋の 能動制御装置のためのシミュレーションモデルの開発」、音響と振動の能動制御 における最近の進歩についての会議の議事録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　 ｔｈｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＲｅｃｅｎｔ　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　 Ａｃｔｊｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　５ｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏ ｎｌ　、２４６〜２５７、Ｉ！１９１年によって論じられている。

このアルゴリズムは、また１本明細書において参照することによって組み入れら れている同時係属出願ｒ’ｃＴ／ＧＢ／９０／２０２１において論じられている 。

その他のものは、エンクロージュアがそれ自身と？ｔＬ減衰音響の定常波と寸法 的（目間関係を持っていなければならない東芝の米国特許第４，９８９，２５２ 号におけるような単一チャンネル装置を考案した。しかし、これらの装置は、同 じ周波数で動作する多ユニッ（−の間の「タロストークｊを考慮せずにエンクロ ージュアの壁にある二つ以上の穴を考慮している。上述の東芝の特許は、一つの 穴しか考慮していない、！！！芝の装置においては、一つの開口部に制限してい ることは、開口部が適当な空気流を与えるために比較的大きくなければならず、 したがって相殺できる周波数範囲を制限することを意味する。東芝の装置はまた 。大きな妨害騒音があるときに作用する欠点を持っている。

本明細書において用いられた基本能動騒音相殺は、米国特許第４゜４１７．０９ ８号に記載されている。

発明の概要 本発明の主な目的は、中の音を静かにする多重手段を有するエンクロージュアを 提供することである。

本発明のもう一つの目的は、エンクロージュアの中にあって流体の流れを容易に するようにエンクロージュアの中にある複数開口部を考慮して多産換器を備λる ことである。

本発明のもう一つの目的は、多重相互作用アクチュエータとセンサアルゴリズム をエンクロージュアの消音をする仕事に適用することである。

本発明のもう一つの目的は、エンクロージュアの能動騒音相殺装置による消音に おいて多重チャンネル能動騒音相殺装置の使用である。

これら及びその他の目的は添付明細書と図面を参照するとき明らかになる０図面 において、 図１は、多重チャンネル騒音相殺装置の装置全体を示す図解図、図２は１周波数 対音響レベルの騒音スペクトルプロットを示しており、 図３は、誤差マイクロホン設置場所における周波数対音響レベルの同様のベクト ルプロットを示しており。

図４は、冷蔵庫圧縮機を消音することへの多重チャンネルアブローヂの特定の適 用を示しており、 図５は１本装置を制御するためのアルゴリズム時間領域アプローチのブロック図 である。

能動消音を家庭用器具へ適用適用することが考えられる。

家庭用器具は、危険であったり、または非常に不快である騒音レベルを発生しな い、器具の消音をする目的は、台所に４０ｄＢＡ未満の全音響パワーレベルを与 えるが、または競争相手より静かな器具を提供することの目標の範囲内にある０ 台所において、例えば、冷蔵庫、マイクロウェーブ、レンジフード及び皿洗い器 は、すべて消音技術の候補である。

ファン、モータ及び流体の騒音はすべて上述の器具に存在する。

消音技術は、特定の・器具におけるすべての騒音源を扱う必要がある。一つの源 を消音すると以前は隠れていた騒音源をたぶんつるさくするであろう。

普通の台所用冷蔵庫には二つの主な騒音源、すなわち圧縮機と冷凍室ファンがあ る。圧縮機は、電動機とピストンなどの圧縮機装置からなっている。ファンは、 通常、冷凍室に取付けられた軸流型である１本願におけるエンクロージュアは、 これらの室のどちらであってもよい。

トルクを生ずるために、圧縮機モータは、線路周波数よりわずかに遅い速度１例 えば５０１１ｚの代わりに５８．５１１ｚで回転する。この周波数は、圧縮機か ら聞こえる騒音の基本速度である。その上、この基本波に対するのさまざまな振 幅の高調波が聞こえる。なお、圧縮機から聞こえる「カチッ、カチッ」型騒音を 発生するサイクルごとに開閉する低圧入口弁と高圧出口弁がある。

冷蔵装置にはその他の騒音源もある。圧縮機のピストン部分で作られ、音が聞こ える冷却コイルの中に流体で運ばれる時間の関数として振幅を変える１５００Ｈ ｚ付近の音がある。冷凍室内の膨張弁は圧縮機への戻りラインにうるさい乱流を 発生する。この騒音は時間と共に変わり、圧縮機によって動かされている装置内 のフレオンの凰（フレオンレベルが低ければほとんど分からない）に比例する。

この時点において、なぜ騒音の能動制御を行うのかという疑問が生ずるのは当然 である。なぜ騒音源の回りをフオーム内張り箱で囲うだけでないのか、冷蔵庫が 冷凍庫からの熱を集めて、その熱を冷却コイルによって部屋の中に放出する。圧 縮機とコイルを囲うことは熱伝達のために入口と出口及びファンを設けることを 必要とし、その結果、出発点に戻ることになる。圧縮機だけを囲うことは、部屋 への熱伝達を落とさずに、はとんどの騒音の源が直接に取り扱われるのでよりよ い考えである。圧縮機が熱くなるので、熱の出入り口が必要であるが、圧縮機を 通るフレオンの流れが圧縮機を冷却するのを助けるのでファンが必要でない。

圧縮機を囲んで能動制御を加えることは、幾つかの理由で満足できることである 。受動的材料は、能動制御だけでは有効でない場合に高周波部分を小さくする。

受動的材料がない場合に、低周波部分の能動制御が非常に有効である。家中に聞 こえる低周波騒音は騒音源で相殺されるので、すぐれた全体的相殺を行うことが できる。コイルからの熱伝達が妨げられない。この技術はすべての能動的構成要 素をエンクローシェア内にはめることができるようにし、音が大きいときに非常 に費用効果的である。

１旦久説」 １１１５ＡｃＴアルゴリズムのシミュレーションが減衰装置の性能を予測するの を助けるために開発された。シミュレータは、アクチュエータとセンサの間の相 互作用を再生するために動作環境のモデルを用いるので、使用者が限定すること も実験的に測定することもできる。シミュレータは、騒音のタイプと周波数範囲 、伝達関数のタイプ（測定されたまたは使用者によって限定された）と標本の割 合を決めるための使用者入力と共に４個のアクチュエータと４個のセンサまで受 け入れる。この論文の場合、すべての拡声器とマイクロホンの間の伝達関数はＮ ＣＴ２Ｏ１０によって実時間で測定された。

シミュレーションランが２２８と４５６　＋１ｚでなされた。相互作用の重要性 を例示するのを助けるために、いくつものシミュレーションがまた対角伝達関数 行列（相互作用なし）の場合に対してランされた。シミュレーションの結果は、 センサ間の完全相互作用を用いるとき、両方の騒音周波数の全騒音レベルが下げ られる。しかし、相互作用が用いられるとき、アルゴリズムは、約２２８１（ｚ で不安定になる。

実験的測定の場合、図１にあるようなエンクロージュアが構成された。エンクロ ージュアの側面は、ベニヤ板で構成された。エンクロージュアの中の拡声器が騒 音源として働いた。二つの１４，７ａｍ　（５インチ）ボートが出口として用い られた。拡声器が各ポートにおいて相殺信号を送り込むために取付けられた。マ イクロボン要素がキャビネットの最上部に帰還信号を与えるために取付けられた ・マイクロホンと拡声器の両方がＮＣＴ２Ｏ１０ＭＩＳＡＣＴ制御装置に接続さ れた０合成騒音源がエンクロージュアの内部の拡声器に接続されて速度信号を制 御装置に与えた。Ｂ＆に型２２３０音響レベルメーターがテクトロエックス（Ｔ ｅｋｔｒｏｎｉｘｌ　２６３０スペクトラム分析器と共に用いられた。

制御装置は、拡声器とマイクロホンの全行列の間のシステム応答を決めるために 校正を行った。次に２２８及び４５６１１ｚからなる騒音信号がエンクロージュ アの中で発生された０次に制御装置は、使用可能にされて、定常状態動作状態に 達することができるようにされた。制御装置がオンとオフの両方について監視マ イクロホンにおいて測定された騒音スペクトラムが図２に示されている。総合騒 音レベルは５９．３ｄｌｌＡから４５．５ｄＢＡに下がった。相互作用を考慮す ることの重要性を示すために、制御が二つの独立チャンネルで実現された。二つ の誤差マイクロホンにおける応答が図３に示されている。４５６Ｈｚの音が下が っているが、２２８Ｈｚの音のレベルが大きくなっている。信号レベルは、ソフ トウェア内の論理を制限することによってそれ以上大きくならないようにされた ことを述べてお（必要がある。

以下の表は、相互作用制御対独立制御に対するシミュレーション結果を示してい る。

表１．　相互作用制御対独立制御に対するシミュレーション結果１１旦基数　級 皿エニ上　センサｌ　センサ２　センサ３２２８Ｈｚ　相互作用あり　−３，８ ｄＢ　−８，１ｄＢ　−５，４ｄＢ２２８Ｈｚ　相互作用なり、１５．８　ｄＢ 　２０．０　ｄＢ　１８．４　ｄＢ４５６ｔｌｚ　相互作用あり　−４，２ｄＢ 　−１２，７ｄＩｌ　−５，６ｄｌ１４５６Ｈｚ　相互作用なし　−１１，７ｄ Ｂ　−３，１ｄ［！　−５，６ｄＢ冷蔵庫の消音への本発明の解は、添付図面の 図４に見られる。それは、能動的と受動的の組合せアプローチである。

高周波音と不規則騒音を取り出すために圧Ｊｌｉ！磯の回りにシェルが構成され た。このシェルは、熱が圧縮機から逃げることができるようにするために入口ス リットと出口ボートをも持っていた。シェルとボートは約６０１１ｚで共鳴する ように設計された。試験によって。

圧縮機のシェルの温度が４３℃（ＩＩＯＦ）の周囲温度に曝されたときでさえ、 製造者の指針以下にとどまることが分かった。

圧縮機シェルの上に置かれた加速度計が騒音同期信号として働いた。騒音防止ア クチュエータは、シェル内部にある拡声器であった。拡声器キャビネットは、圧 縮機の低周波基本波５８．７Ｈｚに対して最適化された。シェルの外側に付けた マイクロホンが誤差センサとして働いた０次にＮＣＴｉ１ｉ１１＠アルゴリズム が拡声器から誤差マクロホンへのインパルスを計算し正しい相殺信号を発生した 。同一の改造しない冷蔵庫に対して後方でｌｏｄ［ｌＡ、１ｌｉｉｉ方で５　ｄ ｔｌＡの低減を得た。

解の独特な点は、以下の通りである。

１）システム解を得るための受動的アプローチと能動的アプローチの組合せ。

２）シェルを問題とする基本周波数に同調させている。

３）圧縮機の熱伝達を考慮した。

４）取付けられたとき最適相殺を得るための融通性のある誤差マイクロボンの取 付は場所。

５）シェル内部で融通性のある拡声器取付は場所。

６）拡声器に必要な電力が非常に小さい（ミリワット）。

７）大きな音のトランジェントに不感性。

本発明は多産換器を持ったエンクロージュアからの低周波騒音の制御を示してい る。シミュレーションが能動制御装置の性能についてｔ［！！できることが示さ れた。シミｊＬｌノージョンモデルは電子マフラー及び振動マウントに付けて分 析道具として用いられた。さらにＭＩＳＡＣＴアルゴリズムが独立制御チャンネ ルが不安定になることのある状況に安定したままであることがシミュレーション と実験の両方を通じて実証された。

へ詑　− せ 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　スミス、デクスター　・アメリカ合衆国メリーランド州２１０ ４６、コロンビア、クオントレル　ロード　１００７４（７２）発明者　ジ−グ ラ−、エルドムダブリュジュニアアメリカ合衆国メリーラノド州２１０４６、コ ロンビア、ハットブリム　テラス　１００９２

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．一つ以上の騒音源から生ずる反復騒音を能動的に制御して消音する装置であ って、 前記一つ以上の騒音源を取り囲むエンクロージュア機構と、前記エンクロージュ ア機構にある複数開口部と、前記複数開口部に近接して取付けられ、前記騒音源 から発生した音響を弱めさせる構成の拡声器機構と、騒音を受けてそれに応じて 電気信号を発生するように構成された誤差マイクロホン機構と、前記拡声器に接 続されて前記誤差マイクロホン機構から信号を受けて前記複数開口部に近接して 反対音響を発生して前記エンクロージュア内の前記騒音源から発する音響を弱め るように構成された制御機構を備えてなる反復騒音を能動的に制御し消音する装 置。
2. ２．前記拡声器機構が前記複数開口部に隣接して置かれた変換器である請求項１ に記載の装置。
3. ３．前記エンクロージュアに二つの開口部があり、前記開口部に隣接して二つの 拡声器機構がある請求項１に記載の装置。
4. ４．前記開口部がほぼ円形であり、前記拡声器機構が変換器である請求項３に記 載の装置。
5. ５．電子信号を前記騒音源から前記制御装置機構へ送る同期信号手段をさらに備 える請求項１に記載の装置。
6. ６．前記騒音源が圧縮機であり，前記同期信号手段が前記圧縮機のモーターに関 する信号を発生する請求項５に記載の装置。
7. ７．前記騒音源がモーターを備え、前記同期信号手段がモーターの回転に応答し て信号を発生する請求項１に記載の装置。
8. ８．前記騒音信号がファンであり、前記同期信号手段がファンの回転に応答して 信号を発生する請求項１に記載の装置。
9. ９．少なくとも一つの騒音源を含む複数開口部を備えたエンクロージュアによっ て放射された騒音を能動的に相殺する能動騒音相殺装置であり、 前記複数開口部に隣接して取付けられ、前記騒音源から放射する音響に反対の極 性の音響を発生して騒音を相殺するように構成された複数拡声器機構と、 前記エンクロージュア機構に近接して取付けられ、前記騒音源とエンクロージュ アからの音響を受けてそれに応じて電気インパルスを送るマイクロホン機構と、 前記拡声器機構と前記マイクロホン機構に作動可能に接続され前記反対極性の音 響を発生する信号を前記拡声器機構に発生させる制御装置機構とを備えてなる能 動騒音相殺装置。
10. １０．前記騒音源と前記制御機構を接続する同期信号手段をさらに備える請求項 ９に記載の装置。
11. １１．前記拡声器機構が変換器である請求項１０に記載の装置。
12. １２．前記騒音源が圧縮機であり、前記装置が圧縮機の騒音を相殺するように構 成されている請求項９に記載の装置。
13. １３．前記騒音源がまた電動機を含む請求項１２に記載の装ち。
14. １４．前記エンクロージュアに二つのほぼ円形の開口部があり、前記拡声器手段 が前記開口部に取付けられている請求項９に記載の装置。
15. １５．前記騒音源と制御装置機構の間に作動可能に接続された同期信号手段をさ らに備える請求項１４に記載の装置。