JPH11509008A

JPH11509008A - ダクトのハイオーダーモードのアクティブノイズ制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH11509008A
Application number: JP9505300A
Authority: JP
Inventors: レスペランス、アンドレ; ブーシャール、マルタン; パヤール、ブルーノ; ギゴー、キャスリーン
Original assignee: アルマックスインコーポレイテッド
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1999-08-03
Also published as: WO1997002560A1; AU6635796A; EP0836737A1; US5748750A; KR19990028737A; CA2226215A1

Abstract

(57)【要約】ダクト内のノイズ伝播のより高いオーダーモードの効果的な制御のためのアクティブ制御システムが開示される。エラーセンサー面内に複数のエラーセンサーが配置され、前記面はダクトの長手軸に対し垂直である。開示された行程及び装置は各エラーセンサーに関連づけられた領域における点間の平均２乗距離を最少にする。その結果として得られたエラーセンサーの配置は、エラーセンサーが制御できる総体的な領域を最大限に利用し、その結果、制御システムの全体的な効率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】ダクトのハイオーダーモードのアクティブノイズ制御方法及び装置技術分野この発明は、一般的にノイズ制御のための方法及び装置に関し、特に、ダクトのハイオーダーモードのアクティブノイズ制御のための方法及び装置に関する。発明の背景ダクトは、しばしば工業環境におけるノイズ公害の著しい発生源となっている。このようなダクトの例として、煙突、スクラバー、バッグハウス等がある。反ノイズ規制の強化のため、このようなダクトから発出するノイズの制御は、望ましいだけでなく必要なものである。サイレンサー、スタック・スタッファー等のパッシブノイズ制御手段は、著しい欠点に悩まされている。このような手段はしばしばスタック構造の大きな再設計を必要とする。さらにパッシブ手段は、送風装置の効率に関し、通常、送風装置の出力を高めなければならないという著しい不利益を強いられる。最後に、既知のパッシブ手段はメンテナンスに対する要求を増大させる。従って、スタック構造の大きな再設計を必要としないノイズ制御装置に対する要求がある。送風装置に性能上の著しい不利益を強いることのないノイズ制御装置に対するさらなる要求がある。また、最少のメンテナンスを必要とするノイズ制御装置に対するさらなる要求がある。プレーン波の伝播の場合、アクティブノイズ制御はダクト終端部で発せられる音響エネルギーを減少させるのに用いられ、成功を収めている。ダクト内でより高いオーダーモードが伝播している場合、マルチチャンネルノイズ制御システムが用いられているが、効果的な音の減少を達成するのはより困難である。本出願人は、円形ダクトのより高いオーダーモードの制御に関する研究が、著しく少ないことを認識している。実際、ほとんどの研究がプレーンモード及び第１伝播のみが考慮された場合に関してなされている。ダクトのより高いオーダーモードの制御に関する最近の研究の一つはモリシタおよびその他の者によって紹介されている。この研究において、正方形ダクトにおける最初の４つの伝播モード、即ち、モード(0,0)、(0,1)、(1,0)及び(1,1)が制御されている。正方形ダクトにおいては、伝播モードは対照的で安定しているので、比較的単純な音響場を与える。即ち、伝播モードはモード(1,1)よりも小さいか又は等しい。しかしながら、現実には最も頻繁にある円形ダクトにおいては、放射状及び円周の回転モードが出現し、それが比較的複雑な音響場を引き起こす。この複雑さが、本出願人の知る限り、なぜ円形ダクトのより高いオーダーモードのアクティブノイズ制御システムの実験結果に関する文献が全く発表されていないのかを説明しているであろう。従って、円形ダクトのより高いオーダーモードの適切な音の減少を提供するアクティブノイズ制御システムに対する要求がある。発明の概要本発明は、一般的に述べると、大規模なスタックの構造を再設計することを必要とせず、送風機効率に関して大きな不利な点を生じさせず、維持の要求を過度に増大させないノイズ制御システムを備える。本発明のノイズ制御システムは、高次数モードの伝達を減少させ、いかなるダクトの形状、円形、方形、三角又は他の形状にも適用できる。より詳細に述べると、本発明は、ダクト内において高次数ノイズを制御するアクティブノイズ制御システムを備えており、複数のエラーセンサーは、ダクトの横軸に垂直なエラーセンサー面に設置される。複数のエラーセンサーの各々は、多項入力、多項出力コントロラーへの入力として使用される。本発明の一の形態によると、各エラーセンサーとエラーセンサーの影響下の領域の境との最大の距離が、減少の要求されるノイズの波長の約１／３以下であるように配列される。従って、必要とされるエラーセンサーの最小数と、エラーセンサー面におけるエラーセンサーの位置は、制御される高周波と、ダクトの大きさ及び形状との関数である。エラーセンサー面の配列、特に、開示されたアルゴリズムにより最適化される面におけるエラーセンサーの数と位置を含めたエラーセンサー面の配列を利用して、いかなる形状のダクトにおいても、いかなるノイズの種類（純粋なトーン又はワイドバンドトーン）に対しても、ノイズ減少は制御技術を限定することのみにより得られる。従って、本発明の目的は、改良されたノイズ制御装置を提供することにある。本発明の他の目的は、いかなる断面の形状のダクト内での使用に適するノイズ制御システムを提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、循環ダクト内での使用に適するノイズ制御装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、ダクト内での高次数モードの音波伝達を制御するノイズ制御装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、ダクトの構造の再設計又は変更を必要としないノイズ制御装置を提供することにある。本発明の他の目的は、送風機効率に関して、大きく不利な点を生じないノイズ制御装置を提供することにある。他の目的である本発明の全容と利点については、図面と請求項との関係を考慮して、以下の明細書を読めば明らかになる。図面の簡単な説明図１は、ｍ＝０，１，２及びｎ＝０，１，２のｍｎモードに対して循環ダクト内の節線（nodal lime）を示した図である。図２は、ダクトの断面を横断する音圧レベルにおける種類を示した図である。図３は、循環ダクト内で減少するノイズに対する本発明による活性ノイズ制御装置の概略図である。図４は、図３のアクティブノイズ制御装置の構成を備える制御の操作を示す概略図である。図５は、エラーセンサーの最適な数と位置を決定するための図３のダクトに対するｋ平均アルゴリズムの適用を示す図である。図６は、エラーセンサーの最適な数と位置を決定するための代替方法を提供するｋ平均アルゴリズムにより得られた表である。実施例の詳細な説明まず、図面を参照して、数字は各図の構成要素を示す。これから開示するアクティブ・ノイズ制御システムは、高さ３０メートル、直径１．８メートルの産業用の煙突から放出されるノイズに対して開発されたものである。煙突から放出されるノイズは、煙突の底に位置する２つのファンから、３２０Ｈｚの単一なトーンで発生している。煙突内の運転温度が８０℃であるとき、煙突内でこの周波数では、（０，０），（１，０），（２，０），（０，１），（３，０）の５つのモードが伝達される。図１はモードｍｎ（ｍ＝０，１，２、ｎ＝０，１，２）に対する円形の部分におけるＮＯＤＥの線を示している。円形のダクトでは、放射状モードは回転し、従ってダクトに沿ったモードの線の位置は変化する。それゆえに、円形のダクトにおける音界は極めて複合的である。図２は直径１．８メートルの円形ダクトの断面図における３２０Ｈｚの音界を示したものである。図３は本実施例で開示するアクティブ・ノイズ制御システム１０を示す。円形ダクト１２は、端に近い部分に位置する一組の主なノイズ源１４Ａ、１４Ｂ（前述の２つのファン）を有している。アクティブ・ノイズ制御システム１０は、アクチュエーターあるいはスピーカー１６として参照される複数の制御源を含んでいる。スピーカー１６はダクト１２内を伝達する音に対して配置される。図３に示す実施例では、スピーカー１６は、主なノイズ源１４Ａ、１４Ｂの上流部に位置する。アクティブ・ノイズ制御システム１０は、さらに複数のエラーセンサーあるいはマイクロフォン２０を含んでいる。マイクロフォン２０は、エラーセンサー面２２として参照されるダクト１２の共通の平面に配置されている。この平面はダクト１２の縦軸を横切っている。アクティブ・ノイズ制御システム１０は、さらに一組の参照センサー２４Ａ、２４Ｂを含んでいる。本実施例で開示される参照センサー２４Ａ、２４Ｂは、ノイズ源１４Ａ、１４Ｂを含んでいるファンのそれぞれに対して１つの光学センサーを含んでおり、このセンサーはファンの回転速度を検出する。しかしながら、参照センサー２４は光学センサーに限られるものではなく、それぞれの主なノイズ源に隣接して位置するマイクロフォンのような別のタイプのセンサーを含んでいてもよいことが認識されるだろう。ファンによって発生されるノイズを代表しているそれぞれの参照センサー２４Ａ、２４Ｂからの信号は、前置増幅器２５に入力され、そしてその信号は信号線２６を介してＰＣコントローラー２８に送られる。このコントローラー２８からの制御出力信号は信号線２９を介してフィルター３０のセットに送られる。以下この点について説明する。フィルタリングされた信号は増幅器３１に通過する。増幅された出力信号は増幅器３１からスピーカー１６へ信号線３２を介して伝達される。同様に、マイクロフォン２０からの出力信号は信号線３３を介して前置増幅器３４に送られ、そして前置増幅器３３からの出力信号は信号線３５を介して前置増幅器３４に送られ、コントローラー２８に入力される。本実施例で開示されたコントローラー２８は、伝統的なマルチチャンネルコントローラーである。そのようなコントローラーは商業的にDigisonix Inc.,Techn ofirst,シェルブルック(Sherbrooke)大学やその他で利用されている。商業的なコントローラーは、マルチチャンネルFiltered-X LMSアルゴリズムとして知られるような、マルチチャンネルアクティブ制御システムのリアルタイムの実行のために広く利用されているアルゴリズムを使用する。マルチチャンネルFiltered-X LMSアルゴリズムは、よく知られたLeast Mean Square（ＬＭＳ）アルゴリズムに基づいており、その特性のほとんどを保持している。その収束するふるまいはよく理解されており、構造の簡単なところと評価の複雑さが低いこととは、多くの現実の状況に応用することを可能にしている。商業的にもディジタル信号プロセッサに利用している。コントローラー２８は伝統的な設計となっているので理解でき、そのため、おおまかな点について説明は必要ないだろう。マルチチャンネルFiltered-X LMSアルゴリズムを説明するには、フィードフォワードの異なる要素、有限インパルス応答（ＦＩＲ）適応制御アルゴリズムに対して、２、３の定義を与えなければならない。Ｎx 参照センサーの数Ｎy 出力アクチュエーターの数Ｎe エラーセンサーの数Ｗ_i,j,iter 〈〈iter〉〉繰り返した後のｉ番目の入力センサーとｊ番目の出力アクチュエーターとの間の適応フィルター ΔＷ_i,j,iter Ｗ_i,j,iterに対する修正Ｈ_j、m ｊ番目のアクチュエーターとｍ番目のエラーセンサーとの間のパスをモデリングする参照フィルターＬw 適応フィルターＷ_i,j,iterの長さＬh フィルターＨ_j,mの長さＸ_j、k ｊ番目の入力センサーからｋ時のＬhのベクトルの最後のサンプルｅ_m、k ｍ番目のエラーセンサーからのｋ時におけるサンプルｅｒｒｏｒ_m、k ｋ時におけるｍ番目のエラーセンサーに対する説明の付かない誤差ｙ_j、k ｊ番目のアクチュエーターのｋ時におけるサンプルＶ_i,j、m、k Ｈ_j、mでＸ_j、kをフィルタリングすることによって計算された参照信号の最後のサンプルＬwのベクトルｕスカラー値、適応のステップサイズＸ_j、k ^T ＝［Ｘ_{j、k-1、h+1}・・・Ｘ_j、k］Ｈ_j、m ^T ＝［ｈ_j,m、1h・・・ｈ_j、m、1］Ｗ_i,j,iter ［Ｗ_i,j,iter,1w・・・Ｗ_i,j,iter、1］Ｖ_i,j,m,k ［ｖ_{i,j,m,k-1、w+1}・・・ｖ_i,j,m、k］多重チャネル・フィルタ-ＸＬＭＳの基礎方程式は、ｙ_j,k = Σ_jX_i,k ^T*W_i,j,iter （eq.1）ｖ_i,j,m,k = X_i,k ^T*H_j,m, （eq.2） W_i,j,iter+1 = W_i,J,iter-uΣ_m V_i,j,m,k e_m,k （eq.3）である（《*》は重畳積を表す）。方程式１、２及び３は、多重チャネル・フィルタ-ＸＬＭＳアルゴリズムである。図４は、使用されるＦＩＲフィード・フォーワード制御構造を図示するフローチャートである。それは２個の基準（参照）センサー及び２個の出力アクチュエータ及び２個の誤差センサーを有するシステムを示す。リアルタイムアプリケーションにおいては、（必ずしも必要でないとしても）アルゴリズムを２つの部分に分けるのがしばしば便利である。すなわち、リアルタイム制御部及び時間不変最適制御部である。此の分離は、単一のディジタル信号プロセッサを有する多重チャネルコントローラの使用を可能とするために行われる。前記リアルタイム部分は工程における各サンプルについて計算されなければならないが、時間不変部分はアイドルプロセッサ時間の間に計算されることが出来る。前記アルゴリズムの分離により、W_i,j,iterは各サンプルについて変更されることはなく、前記最適化プロセスは、最適性能を達成するために前記リアルタイムフィルタW_i,j,iterに対して加えられるべき修飾フィルタΔW_i,j,iterを最適化する。すなわち、 W_i,j,iter+1 = W_i,j,iter＋ΔW_i,j,iter. （ΔW_i,j,iterは次に新しい最適化サイクルを開始するために０にリセットされる）（eq.4）である。リアルタイムで計算される唯一の方程式は方程式１である。すなわちアクチュエータ値の計算である。此のアルゴリズムの分離により、方程式２はフィルタされた基準の計算に有効で有り続けるが、方程式３及び４は次のように書き換えられなければならない。すなわち、 error_m,k = Σ_iΣ_j V_i,j,m,k ^T * ΔW_i,j,iter + e_m,k （eq.5） ΔW_i,j,iter+1 = ΔW_i,j,iter - uΣm V_i,j,m,k error_m,k （eq.6）である。図４は、前記コントローラ２８の動作を図示するフローチャートである。理解の容易化のために、図４に示されるコントローラ２８は２チャネルコントローラである。しかし、基礎となっている原理はさらに多いチャネルを有するコントローラにも同様に適用されることが理解されるであろう。２個の基準センサ２４Ａ、２４Ｂの各々からの出力信号は、対応するローパスフィルタ３６Ａ、３６Ｂ及び続いてアナログ・ディジタルコンバータ３８Ａ、３８Ｂを介して送られる。前記アナログ・ディジタルコンバータ３８Ａ、３８Ｂから出力されたディジタル信号は、つぎに前記コントローラ２８の「リアルタイム・ソフトウエア」部４０へ入力される。前記リアルタイムソフトウエア部４０は適応フィルタ４２Ａ−Ｄを備える。此の適応フィルタ４２Ａ−Ｄは「適応フィルタi,j」の書式で分類される。ここでiは基準信号を表し、jはアクチュエータ信号を表す。従って、参照番号４２Ａで示される適応フィルタ１１は、前記第１基準センサからの出力信号を用いて前記第１スピーカに対する出力信号を生成する制御フィルタであり、参照番号４２Ｂで示される適応フィルタ２１は、前記第２基準センサからの出力信号を用いて前記第１スピーカへの出力信号を生成する、等々である。前記適応フィルタ４２Ａ及び４２Ｂからの出力信号は、ノード４４Ａで加算され、前記適応フィルタ４２Ｃ及び４２Ｄからの出力信号はノード４４Ｂで加算される。前記加算ノード４４Ａ、４４Ｂからの出力信号は、次にディジタル・アナログコンバータ４６Ａ、４６Ｂへ入力される。此の結果としてのアナログ出力信号はローパスフィルタ４８Ａ、４８Ｂを通り、此のフィルタされたアナログ信号はつぎに対応するスピーカ１６Ａ、１６Ｂへ入力される。一方、誤差感知マイクロフォン２０Ａ、２０Ｂは、夫々の位置において対応するノイズレベルを検出する。此のマイクロフォン２０Ａ、２０Ｂからのアナログ信号は、ローパスフィルタ５２Ａ、５２Ｂを介してアナログ・ディジタルコンバータ５４Ａ、５４Ｂへ伝達される。各マイクロフォン２０Ａ、２０Ｂにおけるノイズレベルに対応するディジタル信号はつぎに前記コントローラ２８の「時間不変最適化」部５６へ入力される。前記アナログ・ディジタルコンバータ３８Ａ、３８Ｂからのディジタル出力信号もまた前記時間不変最適化部５６へ入力される。前記時間不変最適化部５６において実行される工程は、リアルタイムで実行されず、アイドル・プロセッサ時間において計算され、従って、マイクロプロセッサに対する要求を削減し、単一マイクロプロセッサのみを有するコントローラの使用を可能とする。コントローラ２８のインディペンデントタイム最適化セクション５６は、８個のリファレンスフィルター５８Ａ−Ｈを有する。リファレンスフィルター５８Ａ −Ｈの各々は、”リファレンスフィルターｊｍ”という形式で名称を付けられている。この名称において、ｊは、アクチュエータを参照するものであり、ｍは、エラーセンサーを参照するものである。すなわち、符号５８Ａ及び５８Ｃにより示されるリファレンスフィルター１１は、第１のアクチュエータ１６Ａと第１のエラーセンサー２０Ａの間の変換関数(transfer function)をモデル(model)するフィルターである。また、符号５８Ｂ及び５８Ｄにより示されるリファレンスフィルター１２は、第１のアクチュエータ１６Ａ及び第２のエラーセンサー２０Ｂの間の変換関数をモデルするフィルターである。その他のフィルターについても同様である。第１のリファレンスフィルター２４Ａに対応するデジタル信号は、５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｅ及び５８Ｆの４つのリファレンスフィルターの各々の入力である。同様に、第２のリファレンスセンサー２４Ｂに対応するデジタル信号は、５８Ｃ、５８Ｄ、５８Ｇ及び５８Ｈの４つのリファレンスフィルターの各々の入力である。リファレンスフィルター５８Ａ、５８Ｂからのデジタル出力信号は、ブロック６０Ａに入力される。さらに、第１及び第２のマイクロホン２０Ａ、２０Ｂからのデジタル出力信号がブロック６０Ａに入力される。次に、ブロック４２Ａの中の適応フィルターの係数が、４つの入力５８Ａ、５８Ｂ、２０Ａ及び２０Ｂの値に従い変更される。ブロック６０Ｂ、６０Ｃ及び６０Ｄの中のフィルターは、同じように動作し、それぞれ、適応フィルター４２Ｂ、４２Ｃ及び４２Ｄの係数を変更修正する。本実施形態では、一次ノイズ源は、１対のファンからなる。実際には、２つの一次ノイズ源があるので、２つのリファレンスセンサー２４Ａ及び２４Ｂが要求される。単一の一次ノイズ源からなる擾乱である場合には、リファレンスセンサー２４Ａは、一つだけ必要となる。このような場合には、第２のリファレンスセンサー２４Ｂは、関連するローパスフィルター３６Ｂ及びＡ／Ｄコンバーター３８Ｂとともに削除することができる。さらに、適応フィルター４２Ｂ及び４２Ｄが削除される。同様に、リファレンスフィルター５８Ｂ、５８Ｄ、５８Ｆ及び５８Ｈが削除される。最終的には、加算ノード４４Ａ及び４４Ｂを取り去ることが可能となる。逆に、減衰させたい擾乱が２つより多い一次ノイズ源を有する場合には、対応するローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーター、適応フィルター及びリファレンスフィルターをそれぞれ伴うリファレンスフィルター２４を追加しなければならない。本実施形態では、スピーカー１６を制御するためにフィードフォワード制御ループを採用している。リファレンスセンサー２４は、フィードフォワード型の制御ループに不可欠のものである。しかしながら、スピーカーの制御は、フィードバック制御により行うことも可能である。この場合には、リファレンスセンサー２４は必要とされない。このようなフィードバック制御ループは、当業者に公知であるので、ここではその詳細な説明を省略する。次に、エラーセンサー平面内でのエラーセンサーの個数及び位置を決定する方法について説明する。このプロセスの最初のステップは、減衰させるべき擾乱の最高周波数を測定すること、及びダクト内の温度を測定することである。この測定は、一般的な音響測定器及び温度測定器を用いることで行える。ここで、測定された温度における最高周波数の波長を求める。例えば、最低動作温度８０°のチムニー内の３２０Ｈｚの擾乱の波長λは、次式で求められる。ただし、Ｃ（Ｔ）は、摂氏Ｔ°における音速であり、次式により与えられる。最低作動温度が８０℃のチムニー内においてじょう乱が３２０Ｈｚである場合、音速は以下のようになる。したがって、波長は以下のようになる。各エラーセンサーと作用域の境界との最大距離Ｄ_MAXは、最も好ましくは波長の３分の１以下であるため、次のようになる。Ｄ_MAX ≦ λ／３Ｄ_MAX ≦ １．１８／３Ｄ_MAX ≦ ０．３９ｍすなわち、３２０Ｈｚ、８０℃の条件下で、各エラーセンサーと作用域の境界との最大距離は、０．３９メーターより短くなければならない。この点について、Ｄ_MAXの限界が０．３９以下であることを満たすエラーセンサー平面上のセンサー配置を得るためには、任意の様々な方法が考えられる。たとえば、単純な幾何学的検討を加えることができるし、もしくはこの限界が満たされるようにエラーセンサー平面上に多くのエラーセンサーを配置してもよい。しかし、各エラーセンサーはコントローラに対し独自のチャネルを必要とし、追加の各チャネルはコントローラプロセッサ上に追加の負担をかけるため、ある点においては追加のセンサーは、適時に適切な信号を発生させるというコントローラの性能に悪影響を及ぼすであろう。したがって、制御されるべき最大周波数の波長の３分の１以下であるというＤ_MAXの限界を満たす最小限のエラーセンサーの個数と位置を決定することが望ましい。本実施形態において、エラーセンサーの個数と位置の最適化は、ｋ平均（ｋｍｅａｎ）アルゴリズムによって得られる。このｋ平均アルゴリズムは、スピーチコーディングにおいて広く用いられており、１９６５年にＦｏｒｇｙによって最初に提唱された。最近のｋ平均アルゴリズム論としては、Ｊ．Ｍａｋｈｏｕｌらによって、Vector Quantization in Speech Coding，PROCEEDINGS OF THE IEE E、第７３巻１１号（１９８５年１１月）の１５５１〜１５８８頁に発表されたものがあり、参照によりここに導入されている。ｋ平均アルゴリズムは、様々な文献にたいへん広く紹介されているため、ここでは簡単な説明に留めることとする。一般的には、ｋ平均アルゴリズムの適用は、次のように表される。第一に、次の用語が用いられる。エラーセンサーと結び付いているダクトの横断面の領域は、セルｉと呼ばれる。このセルｉと結び付いているエラーセンサーは、セルの重心Ｃｉに位置している。図５は、円形ダクト内の５個のエラーセンサーを例示している。手順のステップ１において、問題のセルの数Ｌのために、Ｌ個のセルの重心ベクトルＹ_iの初期値は、問題のダクトの全体の断面において任意に選択される（本実施例では円形であるが、そのアプローチは矩形、三角形またはその他の形状に対しても等しく有効である）。反復のオーダーがｍであれば、この初期の重心ベクトルは、Ｙ_i（ｍ＝０）、（１＜ｉ＜Ｌとして）である。手順のステップ２において、エラーセンサー面の断面における各点ｘは、最も近い隣接ルールに基づいて分類され、重心Ｙｉに決定され、各点ｘは、ｘ∈Ｃｉ（ｍ），ｉｆｆ［ｄ（ｘ，Ｙ_i（ｍ））＜ｄ（ｘ，Ｙ_j（ｍ））］，すべてｊ≠ｉであり、ここでｄ（ｘ，Ｙ_i（ｍ）は問題の点ｘから重心Ｙ_i（ｍ）までの距離である。ステップ３は、各セルの重心、すなわち、そのセルに関連する点を用いて、エラーセンサーの位置を再計算する。Ｙ_i（ｍ＋１）＝Ｃｅｎｔ（Ｃ_j（ｍ））最後に、ステップ２及び３はセルの重心Ｙ_iの位置が安定になるまで繰り返される。エラーセンサー面２２におけるエラーセンサー（マイクロフォン２０）の数及び分布は、各エラーセンサー間の最大距離及び隣接するエラーセンサーとダクトの壁の影響ゾーンに関するその影響ゾーンの限界を最小化するようにされる。必要とされるエラーセンサーの最小の数及びエラーセンサー面におけるそれらの最適な位置は、制御されるべきノイズの最も高い周波数の関数である。一般に、ノイズ減少は各エラーセンサー及びその影響ゾーンの限界からの最大距離のほぼ３倍よりも大きいかまたは等しい波長を有する周波数として得られるであろう。コントローラ２８の容量による限界を除いて、このノイズ減少はピュアトーンまたは広帯域ノイズであるかいかなる種類のノイズに対して達成されるであろう。このアプローチを１．８ｍの直径の円形ダクト、３２０Ｈｚの乱れ（ｐｅｒｔｕｒｂａｎｃｅ）、８０℃の作動温度である本実施例に適用すると、９個のエラーセンサーの配置はＤ_MAx＝０．４０ｍとなり、十分ではない。しかしながら、１０個のエラーセンサーの配置はＤ_MAX＝０．３７ｍとなり、これは０．３９ｍ未満（所定の周波数の波長の１／３及び作動温度として上記計算された値）となる。従って、３２０Ｈｚの乱れ（ｐｅｒｔｕｒｂａｎｃｅ）、８０℃の作動温度を有する円形煙突の場合において、ｋ平均アルゴリズムに基づいて位置されたとき最小１０個のエラーセンサーを用いなければならない。さらに、本実施例に対するｋ平均アルゴリズムの適用は、ダクトの軸に１個のセンサーを配置し、残りの９個のセンサーがダクトと同軸にリング形状に配置されるように、１０個のセンサーを配置しなければならないことを示している。特に、リングにおける９個のセンサーはそれぞれダクトの中心軸から０．７９ｍに位置しなければならず、９個のセンサーはリング上で４０°の間隔で等しく離間されなければならない。このアルゴリズムはいかなる断面（円形、矩形、三角形など）のダクトにも適用し得るので、ｋ平均アルゴリズムはどのようなダクト形状におけるエラーセンサーの最適な位置を決定するのに用いることができる。ｋ平均アルゴリズムの適用は所定のダクト断面のためのエラーセンサーの最適な数及び位置を示すが、反復プロセスはいくらかやりづらい。好ましい実施態様では、Ｄ_MAX／Ｒ₀（Ｒ₀はダクトの半径を示す）の比は、エラーセンサーの種々の数及びテーブルフォーマットに減少された比に対するｋ平均アルゴリズムによって計算された。図６は、いろいろな数のエラーセンサーのＤ_MAX／Ｒ₀比およびエラーセンサーの対応する最適位置を示す表である。従って、ｋ平均アルゴリズムを用いる代わりに、この表を必要なマイクロフォンの最小の数及び円形ダクトの断面内におけるそれらの位置を決定するために参照することができる。実施例を考慮すると、ダクトの直径は１．８メーターで、従ってＲ₀は０．９メーターとなる。従って、Ｄ_MAx／Ｒ₀の比は０．３９／０．９、もしくは０．４３となる。図６の表では、０．４３よりも小さい最大のＤ_MA _x ／Ｒ₀が見出される。表は１０個のエラーセンサーの配置が所望の騒音（pertur bance）の減衰（attenuation）を与えるセンサーの最小の数であることを示している。さらに、表は１０個のセンサーが円形のパターンに９つのセンサーとダクトの中心に１つのセンサーにより配置されていることがわかる。さらに表によれば、９つの円形パターンのセンサーは、ダクトの中心から半径Ｒの位置に配置され、Ｒ／Ｒ₀の比は０．７１である。本願の実施例では、Ｒ₀が０．９メーターのとき、Ｒ＝０．７１／０．９＝０．７９メーターである。従って、円形のパターンの９つのセンサーはダクトの中心軸から半径０．７９メーターの位置に配置されている。また、表によれば、最適な配置のためのΔφは４０°で、これは９つの周囲のセンサーの各々が前に置いたセンサーから４０°だけ角度がづれていることを意味している。さらに、図６を参照すると、１４個のセンサーのときからは、エラーセンサーが二重のリングで配置されることに注意すべきである。第２の周囲のセンサーは、ダクトの中心から表に掲げたＲ／Ｒ₀の比を満たす半径Ｒに配置されている。加えて、第２の周囲センサー上の第１のセンサーは第１の周囲上の第１のセンサーから角度φだけ角度をづらして配置され、第２の周囲の連続する各センサーは追加の角度Δφだけづらされている。もしノイズコントロールシステムの性能を最適化するならばエラーセンサー内のエラーセンサーの位置決めは重要であるけれども、アクチュエーターもしくはスピーカーの位置決めは重要なものではない。たいていは、スピーカーは、エラーセンサーや、他のスピーカーやダクトに対して特定な関係を持つように配置する必要はない。スピーカーは同一面（plane）内に配置することさえも必要ではない。性能を最適化するためのスピーカーの配置に対する唯一の制限は（１）エラーセンサーと同じ数のスピーカーを使用すること；（２）エラーセンサー面の同じ側にスピーカーを一次ノイズソース（primary noise source）もしくは騒音（perturbance）として配置すること；（３）コントロールされるべき最低周波数の少なくとも１／２波長だけ、音響的な反復を避けるためにスピーカーを物理的に離すこと、すなわち、２個のスピーカーが、マイクロフォンに対してほとんど同じ音響的な位置となり、これによって各エラーセンサーでノイズを減衰するためのコントローラーの効率が減少するという事実。これらの制限はあっても、まだスピーカーの位置に関して大きな許容範囲を与えることに注意すべきである。というのは、スピーカーを一次ノイズソースとエラーセンサー面との間で、エラーセンサー面の反対側の一次ノイズソースの側に配置したり、または、一次ノイズソースのひとつの側に幾つかのスピーカーを配置して他のスピーカーを反対側に配置することができるからである。開示した具体例では、スピーカー１６をコントロールするのにフィードフォワード（feedforward）コントロールループを使用する。当業者が理解するように、リファレンスセンサー２４はフィードフォワード形式のコントロールループのためには必須である。しかし、スピーカーのコントロールはフィードバックコントロールループで行われ、この場合には、リファレンスセンサーは必要ではない。開示した具体例は特に煙突から生じるノイズを減衰するためのノイズコントロール装置に対するものであるが、本発明は煙突に限定されるものではなく、工業的な応用に対して制限されるものではないという事実が理解できるであろう。むしろ、本発明のアクティブノイズコントロールシステムは、ノイズの低減が望まれているどのようなタイプのダクトに対しても適するものである。最後に、好ましい具体例は実施例として開示したが、当業者には、添付の請求の範囲のクレームの範囲と精神から逸脱することなしに他の変形応用ができることが理解されるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者パヤール、ブルーノカナダ国ジェイ１エル２スィー１ケベック州シャーブルックモンセニュールモアザン 4160 (72)発明者ギゴー、キャスリーンアメリカ合衆国 24073 ヴァージニア州クリスチャンズバーグイエローサルファーロード 3145

Claims

【特許請求の範囲】１．主要ノイズ源を有するダクト内の高次モードのアクティブノイズ制御装置であって、前記ダクト内において、ダクトの長手方向軸に垂直な１平面内に配置した複数のエラーセンサーと、前記ダクト内に音波を発するように、少なくとも前記複数のエラーセンサーと同数配置した、複数のトランスデューサと、前記複数のエラーセンサーからの入力信号に応答して、前記複数のトランスデューサに制御信号を送信し、前記主要ノイズ源によって生成された前記ダクト内のノイズを減衰させる制御手段とからなるアクティブノイズ制御装置。２．各々の前記エラーセンサーから各々の前記エラーセンサーの影響下にある領域の限界までの最大距離が、減衰させようとする最大周波数ノイズの波長の３分の１かそれ以下であるように、前記複数のエラーセンサーが前記平面内において配置されている、請求項１に記載の装置。３．必要なエラーセンサーの最小数と、前記平面内における前記エラーセンサーの配置位置とが、ｋ平均アルゴリズムに従って決定される、請求項２に記載の装置。４．主要ノイズ源を有するダクト内の高次モードのアクティブノイズ制御方法であって、前記ダクト内において、ダクトの長手方向軸に垂直な１平面内に複数のエラーセンサーを配置するステップと、前記ダクト内に音波を発するように、少なくとも前記複数のエラーセンサーと同数、複数のトランスデューサを配置するステップと、前記複数のエラーセンサーからの入力信号に応答して、前記複数のトランスデューサに制御信号を送信し、前記主要ノイズ源によって生成された前記ダクト内のノイズを減衰させるステップとからなる制御方法。５．前記ダクト内においてダクトの長手方向軸に垂直な１平面内に複数のエラーセンサを配置する前記ステップが、減衰させようとする前記ダクト内のノイズの最大周波数の波長を決定するサブステップと、各々の前記エラーセンサから各々の前記エラーセンサの影響下にある領域の限界までの最大距離が、減衰させようとする最大周波数ノイズの波長の３分の１かそれ以下であるように、前記ダクトの長手方向軸に垂直な１平面内において前記複数のエラーセンサを配置するサブステップとからなる、請求項４に記載の方法。６．各々の前記エラーセンサから各々の前記エラーセンサの影響下にある領域の限界までの最大距離が、減衰させようとする最大周波数ノイズの波長の３分の１かそれ以下であるように、前記ダクトの長手方向軸に垂直な１平面内において前記複数のエラーセンサを配置する前記ステップが、（ａ）Ｌ個のセルを考え、前記ダクトの断面において、Ｌ個のセルのセントロイド・ベクトルＹｉの初期値を任意に選び、（ｂ）繰り返し度数をｍとし、式：Ｙｉ（ｍ＝０）、但し１＜ｉ＜Ｌ、に従って、この初期セントロイド・ベクトルを計算する、（ｃ）このセルに対応する点を用いて、式：Ｙｉ（ｍ＋１）＝セントロイド（Ｃｉ（ｍ））に従い、それぞれのセルのセントロイドを再計算する、（ｄ）セルのセントロイドＹｉの位置が安定するまで、前記ステップ（ｂ）と（ｃ）を繰り返す、（ｅ）このようにして決定されたセルのセントロイドＹｉが、各々の前記セントロイドからそのセントロイドに対応したセルの境界までの最大距離が減衰させようとする最大周波数ノイズの波長の３分の１かそれ以下であるという制限を満たさない場合には、より大きなセル数Ｌを考えて前記ステップ（ａ）〜（ｄ）を繰り返す、（ｆ）前記ステップ（ａ）〜（ｅ）に従って、各々の前記セントロイドからそのセントロイドに対応したセルの境界までの最大距離が減衰させようとする最大周波数ノイズの波長の３分の１かそれ以下であるという制限を満たすように、セントロイドの数と配置とが決定されたならば、各々のセルのそのセントロイドにエラーセンサーを配置する各ステップから成る、請求項５に記載の方法。