JPS63311396A - 電子消音システム - Google Patents

電子消音システム

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JPS63311396A
JPS63311396A JP62148254A JP14825487A JPS63311396A JP S63311396 A JPS63311396 A JP S63311396A JP 62148254 A JP62148254 A JP 62148254A JP 14825487 A JP14825487 A JP 14825487A JP S63311396 A JPS63311396 A JP S63311396A
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子消音システムに係り、特にディジタフィル
タを組み込んだコンピニータシステムにより適応制御を
行うことにより、管路等の伝搬通路内に発生する非定常
的騒音の消音を可能とした電子消音システムの改良に関
する。
〔従来の技術〕
管内騒音に対する消音を管構造による干渉や管に内貼り
した多孔質材による吸音等の現象を利用して行う受動型
消音器は広く実用に供されているが、消音器のサイズ、
圧力損失等の点でその改善に対する要求が多い。
一方、これに対して管内騒音を消音するもう一つの方法
として古くから提案されていた能動型消音器、即ち音源
から伝搬してきた騒音に対し、同一音圧、逆位相の付加
音を放射し、音波干渉により消音効果を強制的に生じさ
せる電子消音システムが着目されつつある。これは電子
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を発表されている。
しかしながら、解決すべき多くの問題が山積しており、
現在ではまだ本格的な実用段階には至っていない。
電子消音システムを実用化するための技術課題はその制
御系設計の基礎となるモデルの構築にあり、そのモデル
は下記の点に対応できることが要求される。先ず第1の
問題は連続スペクトル騒音の消音用フィルタを形成する
ことである。即ち変圧器騒音やコンプレッサ騒音のよう
な離散スペクトル騒音のみならず自動車騒音や気流騒音
のような連続スペクトル騒音に対しても付加音を発生さ
せることができれば電子消音システムの用途が更に拡大
する。この実現に当たっては任意の振幅特性と位相特性
が得られるフィルタが必要となる。
第2の問題はセンサマイクロフォンに対する付加音の帰
還を防止しなければならないという点である。即ち電子
消音システムでは音波が伝搬する伝搬通路内における騒
音源と付加音源との間にセンサマイクロフォンが設置さ
れ、これにより検出した音から何等かの手段で騒音源か
らの伝搬音波を打ち消す為の音波を放射する付加音源を
駆動するための電気信号を作成することが必要となる。
この場合に付加音源から放射される音波はセンサマイク
ロフォンにも捕−らえられるために結局、付加音源とセ
ンサマイクロフォンとの間に音響的フィールドバック系
が形成さ、れるのでこれに対する対策が必須となる。特
に電子消音システムを小型化し且つダクト等の、管路の
任意の位置に取付は可能に構成するためにはセンサマイ
クロフォンと付加音源とを近接せざるを得ない為にこの
音響的フィールドバックの影響は大きく、これに対する
対策が重要となる。
、更に第3の問題は電子消音システムに用いられるマイ
クロフォン、スピーカ等の電気音響変換器の特性補正を
可能にすることである。即ち電子消音システムの制御機
能を安定化させるためには制御系に電気音響変換器の微
小な特性劣化を補正する機能を持たせることが必須であ
り、この問題も解決しなければならない。
これに対して我々は既に上記問題点に対応できる電子消
音システムについてのモデルを解明し、提案している(
特願昭6.0−139293、特願昭60−13929
.4、特願昭f第1−7115)。
我々が提案した電子消音システムでは上記第3の問題に
対応できるように付加音源に与える電気信号を作成する
ためのディジタルフィルタの特性を適応制御することに
より音波の伝搬通路(例えばダクト)の伝搬特性の変化
及び制御系(付加音源としてのスピーカ、センサとして
のマイクロフォン等を含む)の特性変化に対応可能とし
ている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第1図に二つのセンサマイクロフォンM1、M2を備え
た単極音源方式の適応型電子消音システムの基本構成を
示す。
この構成では下流側のセンサマイクロフォンM2の出力
をエラー信号として用いている。基本的な動作としては
、ディジタルフィルタ2の入力Xとセアサ、イク。フォ
ノM2の出力Eの情報からEのエネルギーが何等かの評
価基準のもとて最小となるようにディジタルフィルタ2
の伝達関数Heを更新することである。
さて、第1図に従って実際の電子消音システムをモデル
化すると第2図に示すようになる。第2図に示すモデル
では消音用スピーカ(付加音源)Sからセンサマイクロ
フォンM1に帰還される音波は加算回路20により電気
的に打ち消され、ディジタルフィルタ2には入力されな
いという仮定に基づいて構成されている。
これはスピーカからMl、M2への伝送特性が等しいこ
とを意味している。この理想状態は現実には存在しない
が、モデルの単純化の為に取り入れている。ここで重要
なことは、ディジタルフィルタ2の出力からエラー信号
の加算点に至るまでにスピーカ、ダクト等の伝送特性を
表す時間遅延を伴った伝達関数りが存在することである
ところで、LMSアルゴリズムなど既存の適応制御アル
ゴリズムを適用するためには、適応型ディジタルフィル
タの人力Xが明確に定義されていることは勿論、その出
力Yとエラー信号Eとの関係が問題となってくる。ディ
ジタルフィルタ2の出力が決定された後、瞬時にエラー
信号Eが観測可能なシステムの場合は、少なくともディ
ジタルフィルタ2の次の係数更新時までにエラー信号E
が確定しているシステムの場合には基本的には問題なく
適用可能である。音響信号を対象としたものとして、エ
コーキャンセラ用フィルタなどはよい例であり、フィル
タ出力Yはそのままエラー信号Eに反映されている。と
ころが、第1図に示す電子消音システムのフィルタ出力
はそのままの状態では已に関係しておらず、スピーカの
電気音響変換特性、スピーカからマイクロフォンまでの
伝送特性、空間での音響信号の重畳(干渉)過程、マイ
クロフォンの音響電気変換特性を経由してエラー信号E
が得られる。この伝達関数りを考慮しないと消音効果は
全く得られない。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたちのであり、
付加用音源から評価用マイクロフォンに至る伝送系の伝
達関数を考慮して適応制御を行い得る電子消音システム
を提供することを目的をするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記目的を達成する為に、音波の伝搬通路内に
於ける騒音源からの伝搬音波に対して逆位相で且つ同一
音圧の音波を発生させ、前記伝搬通路内の所定位置でそ
の音波干渉により消音を行う電子消音システムにおいて
、 前記伝搬通路内の前記所定位置より騒音源側に配設され
、該騒音源からの伝搬音波を検出し電気信号に変換する
第1の機械電気変換手段と、前記伝搬通路内に於ける第
1の機械電気変換手段の配設位置と前記所定位置との間
に設けられ騒音源からの伝搬音波を該所定位置において
打ち消すための音波を放射する電気機械変換手段と、該
電気機械変換手段の配設位置と肋記所定位置との間又は
該所定位置に設けられ、該電気機械変換手段及び前記騒
音源からの伝搬音波を検出し電気信号に変換する第2の
機械電気変換手段と、前記第1の機械電気変換手段の出
力信号と第2の機械電気変換手段の出力信号との差を求
める演算手段と、 該演算手段の出力信号を取り込み、与えられた伝達関数
に基づいて電子消音システムの消音量が最大になるよう
に前記電気機械変換手段に与える駆動信号を作成する駆
動信号作成手段と、該駆動信号作成手段に付与すべ−き
伝達関数を決定し、該伝達関数を特定する為の制御パラ
メータを駆動信号作成手段に設定すると共に、伝搬通路
の伝搬特性の変化及び制御系の特性変化に応じて前記制
御パラメータを修正する制御手段とを有し、制御手段は
擬似信号を前記電気機械変換手段に出力して音波の伝搬
通路内に音波を放射し、第2の機械電気変換手段の出力
信号に基づいて該出力信号が最小となるように駆動信号
作成手段の出力端から第2の機械電気変換手段に至る音
波の伝搬通路及び電気信号の伝送路を含む伝送系の伝送
特性を示す時間遅延を伴う伝達関数を特定し、該特定さ
れた時間遅延を伴う伝達関数を考慮して所定の適応アル
ゴリズムに基づいて前記駆動信号作成手段に付与すべき
伝達関数を決定することを特徴とするものである。
〔作用〕
本発明に係る電子消音システムでは音波の伝搬通路内に
擬似信号に基づく音波が付加音源としての電気機械変換
手段より放射され、この音波に対して消音効果を評価す
るための第2の機械電気変換手段の出力信号(エラー信
号)が最小となるように駆動信号作成手段の出力端から
第2の機械電気変換手段に至る音波の伝搬通路及び電気
信号の伝送路を含む伝送系の伝送特性を示す時間遅延を
伴う伝達関数が制御手段により特定される。
更に制御手段はこの特定された時間遅延を伴う伝達関数
を考慮して所定の適応アルゴリズムに基づいて前記駆動
信号作成手段に付与すべき伝達間数を決定する。
このように構成することにより消音効果の高い電子消音
システムを実現することができる。
〔実施例〕
以下、添付図面に従って本発明に係る電子消音システム
の好ましい実施例を詳説する。第1図には本発明が適用
される電子消音システムの基本構成が示されている。第
1図及び第2図については〔発明が解決しようとする問
題点〕の項で便宜上簡単に触れたが十分でないのでこの
項で再度、説明する。
第1図において音波の伝搬通路1内において騒音源から
の伝搬音波を検出する二つのセンサマイクロフォンMl
、M2が付加音源としてのスピーカSを基準にしてその
上流側と下流側の位置に夫々設置されている。加算回路
20にはセンサマイクロフォンML M2の出力信号が
入力され、センサマイクロフォンM2の出力信号はセン
サマイクロフォンM1の出力信号に対して逆位相で加算
されるようになっている。
また加算回路20の出力信号はディジタルフィルタ2及
びコントローラ10に入力されるように構成されている
。コントローラ10にはエラー信号Eとしてセンサマイ
クロフォンM2の出力信号が人力されるようになってい
る。
ここでセンサマイクロフォンMl、M2はスピーカSか
ら等しい距離に設置され、且つ特性の揃ったものである
ものとする。
上記構成において、騒音源からの伝搬音波がセンサマイ
クロフォンMl、M2により検出され、これらの出力信
号が加算回路20に入力されると共に、センサマイクロ
フォンM2の出力信号がエラー信号Eとしてコントロー
ラlOに入力される。
加算回路20ではセンサマイクロフォンM1、M2の出
力信号が互いに逆位相で加算され、その加算出力Xはデ
ィジタルフィルタ2及びコントローラ10に入力される
コントローラ10はエラー信号Eが最小となるように加
算出力X及びエラー信号已に基づいてディジタルフィル
タ2に付与すべき伝達関数を決定し、その伝達関数を特
定するための制御パラメータであるフィルタ係数をディ
ジタルフィルタ2に与える。ディジタルフィルタ2では
入力信号Xを与えられたフィルタ係数に基づいて所定の
振幅、位相特性の信号に変換処理する。このディジタル
フィルタ2の出力信号はD/A変換されてセンサマイク
ロフォンM2の位置において騒音源からの伝搬音波を消
去するため消音用音波を放射する付加音源としてのスピ
ーカSに出力されるのであるが、ここではD/A変換器
、A/D変換器等の具体的手段については省略しである
。このようにしてセンサマイクロフォンM2の位置にお
いて騒音源からの伝搬音波は消去される。
尚、スピーカSからの消音用音波がセンサマイクロフォ
ンMlにより検出されるが、この成分についてはセンサ
マイクロフォンM2により検出される信号を逆位相にし
てセンサマイクロフォンM1の出力信号と加算回路20
により加算することにより打ち消されるのでスピーカS
からセンサマイクロフォンM1への音響的フィードバッ
クは抑制される。
第1図に示した電子消音システムのモデルを示す第2図
においてGはセンサマイクロフォンMl。
M2の間の伝搬通路1内におCする音波の伝搬特性及び
センサマイクロフォンMl、M2の変換特性を加味した
伝達関数、Dは既述したようにディジタルフィルタ2の
出力端からエラー信号の加算点まで、換言すればディジ
タルフィルタ2の出力端からスピーカS1スピーカSか
らマイクロフォンM2までの伝搬通路及びセンサマイク
ロフォンM2についての各電気音響変換器自体の変換特
性及び音波の伝搬特性を含めた伝送特性を示す伝達関数
である。また22は第1図におけるディジタルフィルタ
2及びコントローラlOを含めて表現しである。
次に伝達関数りを考慮した電子消音システムをコントロ
ーラを含めて具体化したモデルを第3図に示す。このモ
デルではコントローラlOにLMSアルゴリズムを用い
、加算回路20の出力信号Xに伝達関数りを乗じたもの
をディジタルフィルタ20人力信号として捉え、これを
用いてディジタルフィルタ2の係数の更新を行う。従っ
てLMSアルゴリズムによる演算の人力として入力信号
×を×・Dに置換することによってLMSアルゴリズム
によるフィルタ係数の更新が可能となる。
伝達関数りは後述するようにシステムを稼動する前にコ
ントローラ10により測定して求め、伝達関数りを特定
するフィルタ係数を決定する。システム稼動時にはこの
フィルタ係数を固定してLMSアルゴリズムによりディ
ジタルフィルタ2が適応制御される。
また伝達関数りを考慮した電子消音システムのコントロ
ーラを含めて具体化したモデルの他の例を第4図に示す
。このモデルでは伝達関数りを時間遅延をもったインパ
ルスで近似する方法を採用している。ここではクロスス
ペクトル法を用いて伝達関数りを測定し、この測定によ
り得られた伝達関数から時間遅延を算出する。これによ
りスピーカS等の遅延時間も含めた時間遅延を算出でき
る。同図に示すようにコントローラ10は加算回路20
の出力信号Xを伝達関数りから得られる時間遅延量だけ
を遅延させ、この遅延信号とエラー信号をLMSアルゴ
リズムの演算式に代入することによりディジタルフィル
タ2のフィルタ係数ヲ更新する。このようにしてディジ
タルフィルタ2を適応制御することができる〇 上述した電子消音システムのモデルのうち第3図に示す
モデルは第4図に示す伝達関数りを時間遅延で近似する
方法と異なり、伝達関数りの振幅、位相のすべての情報
が用いられるため、第4図に示すモデルよりも理論上、
特性改善が期待できる。
第5図には第3図に示すモデルを適用した電子消音シス
テムの具体的構成が示されている。同図において、伝搬
通路1内にはセンサマイクロフォンMl、M2が付加音
源たるスピーカSを挾んで配設されている。センサマイ
クロフォンMLM2はスピーカSからこれらのマイクロ
フォン・Ml、M2に対して放射される音波の伝搬特性
を示す伝達関数(伝搬通路lの伝搬特性及びマイクロフ
ォン自身の変換特性を含めて表現した伝達関数)がスピ
ーカSの位置を基準として等価となる位置、例えばスピ
ーカSを基準として等距離となる位置に配設されている
30.32はそれぞれ、マイクロフォンM1、M2の出
力信号を増幅するマイクアンプ、34はスピーカSに出
力する駆動信号を所定のレベルまで増幅するパワーアン
プ、40.42.44はローパスフィルタである。
又50.52はA/Dコンバータ、54はD/Aコンバ
ータ、lOは制御部である。
制御部lOはシステム全体を統括制御するコントロール
プロセッサ100、後述する適用型ディジタルフィルタ
、固定係数型ディジタルフィルタ及び既述した伝達関数
りを測定するためのノイズジェネレータとしての役割を
果たすディジタルシグナルプロセッサ102.104、
直列信号を並列信号に、又は並列信号を直列信号に変換
処理するシリアルφパラレルインターフェースアダプタ
106.108とから構成されており、これらは相互に
パスライン200を介して接続されている。
上記構成からなる電子消音システムの動作を第6図を参
照して説明する。第6図は制御部10の動作をブロック
化して示したものである。同図においてシステムを稼動
させるに先立ち、スイッチ208が接点a側に切換られ
、ノイズジェネレーター206よりD/Aコンバータ5
4にホワイトノイズが出力される。ノイズジェネレータ
ー206はディジタルシグナルプロセッサ102が機能
分担し、該プロセッサ102が乱数データを発生するこ
とによりホワイトノイズを擬似的に作成する。
他方ディジタルシグナルプロセッサ104により適応型
ディジタルフィルタ210を構成し、適応型ディジタル
フィルタ210はノイズジェネレーター206からの入
力信号(ホワイトノイズ)と、センサーマイクロフォン
M2からの出力信号であるA/Dコンバータ52の出力
信号(エラー−信号)とに基づいてLMSアルゴリズム
により伝達関数りを同定する。
次いで、スイッチ208を接点す側に切換え、電子消音
システムを稼動できる状態にする。次に適応型ディジタ
ルフィルタ210で同定した伝達関数りを示すフィルタ
係数をディジタルフィルタから202に設定する。ディ
ジタルフィルタ202はディジタルシグナルプロセッサ
102が機能分担し、適応型ディジタルフィルタ204
についてはディジタルシグナルプロセッサ104が機能
分担する。この適応型ディジタルフィルタ204は第3
図に示したモデルにおけるディジタルフィルタ2に相当
するものである。
このような状態下において加算回路202にA/Dコン
バータ50.52を介してそれぞれセンサマイクロフォ
ンMLM2の出力信号が人力され、該加算回路200に
おいてA/Dコンバータ50の出力信号とA/Dコンバ
ータ52の出力信号を反転した信号とが加算され、更に
ディジタルフィルタ202にふいて加算回路の出力信号
Xとディジタルフィルタ202において設定された伝達
関数りとの乗算が行われる。
適応型ディジタルフィルタ204ではA/Dコンバータ
52の出力信号をエラー信号として取り込み、ディジタ
ルフィルタ202の出力X−Dに基づいてフィルタ係数
を更新し、スイッチ208を介してD/Aコンバータ5
4にセンサマイクロフォンM2の設置位置において騒音
源からの伝搬音波を消去するためのスピーカSの駆動信
号を出力する。第6図における加算回路200の演算は
コントロールプロセッサ100により行われ、該コント
ロールプロセッサ100はこの他に電子消音システムと
図示していない電子消音システムが適用される他のシス
テム例えば空調設備等との間の信号の送受を行う。更に
コントロールプロセッサ100は電子消音システムの動
作を監視し、システムに異常が生じた場合にはそれに対
応するための処理を行う。
次に本発明に係る電子消音システムを空調ダクト設備に
適用した場合にふける実験結果を第7図に示す。第7図
は伝達関数りによる補正を施した場合における騒音の音
圧レベルの周波数特性を示しており、同図において実線
は消音システムが稼動していない状態における周波数特
性を示し、一点鎖線、二点鎖線、破線はそれぞれフィル
タ係数の更新を5.10.40回それぞれ更新した場合
の周波数特性を示している。
上記実験は次の条件によるものである。即ち空調ダクト
の口径は350+a−角であり、電子消音システムは直
管ダクト系の途中に設置した。又電子消音システムが設
置されるダクトの直線区間の距離は2000 mmであ
る。さらに騒音源としてはターボファンのファン騒音を
用いたi 尚、第2図に示した適応型ディジタルフィルタ204.
210においてはLMSアルゴリズムを用いたが、これ
に限らずB L M S (Block LeastM
ean 5quare )或いはF L M S (F
ast Least Mean 5quare)等の適
応アルゴリズムを使用してもよい。又、加算回路200
は本実施例ではディジタル演算によって行っているが、
アナログ信号の段階で行ってもよい。
さらに第5vlに示したシステム構成ではディジタルシ
グナルプロセッサを2個、コントロールプロセッサを1
個用いることとしているが、高機能なマイクロプロセッ
サを用いてこれにより行うことも可能である。又ディジ
タルシグナルブロセフサ102.104等の代わりにそ
れぞれ高速の乗加算器を用いてもよい。
本発明は電子消音システムに限らず時間遅延を伴う伝達
関数を含む適応制御系に適用することが可能である。
〔発明の効果〕
以上に説明したように本発明に係る電子消音システムで
はシステムを稼動するに先立ち、音波の伝搬通路内に擬
似信号に基づく音波を付加音源としての電気機械変換手
段より放射し、この音波に対して消音効果を評価するた
めの第2の機械電気変換手段の出力信号(エラー信号)
が最小となるように前記電気機械変換手段の駆動信号を
作成する駆動信号作成手段の出力端から第2の機械電気
変換手段に至る音波の伝搬通路及び電気信号の転送路を
含む伝送系の伝送特性を水子時間遅延を伴う伝達関数を
制御手段により特定し、該制御手段がこの特定された時
間遅延を伴う伝達関数を考慮して所定の適応アルゴリズ
ムに基づいて前記駆動信号作成手段に付与すべき伝達関
数を決定するように構成したので、本発明によれば消音
効果の高い電子消音システムを実現することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発・明が適用される電子消音システムの基本
構成を示す原理図、第2図は軍1図に示した電子消音シ
ステムのモデルを示す説明図、第3図は時間遅れを伴う
伝達関数りを考慮した電子消音システムをコントローラ
を含めて具体化したモデルを示す説明図、第4図は伝達
関数りを考慮した電子消音システムのコントローラを含
めて具体化したモデルの他の例を示す説明図、第5図は
第3図に示すモデルを適用した電子消音システムの具体
的構成を示すブロック図、第6図は第5図に示す電子消
音システムの制御部の動作をブロック化して示す説明図
、第7図は本発明に係る電子消音システムを空調設備に
適用した場合における騒音の音圧レベルの周波数特性を
示す特性図である。 l・・・伝搬通路、  lO・・・コントローラ、20
・・・加算回路、 30.32.34・・・アンプ、 
 40.42.44・・・ローパスフィルタ、  50
.52・・・A/Dコンバータ、  54・・・D/A
コンバータ、  lOO・・・コントロールプロセッサ
、102.104・・・ディジタルシグナルプロセッサ
、106.108・・・シリアル・パラレルインターフ
ェースアダプタ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 音波の伝搬通路内に於ける騒音源からの伝搬音波に対し
    て逆位相で且つ同一音圧の音波を発生させ、前記伝搬通
    路内の所定位置でその音波干渉により消音を行う電子消
    音システムにおいて、前記伝搬通路内の前記所定位置よ
    り騒音源側に配設され、該騒音源からの伝搬音波を検出
    し電気信号に変換する第1の機械電気変換手段と、前記
    伝搬通路内に於ける第1の機械電気変換手段の配設位置
    と前記所定位置との間に設けられ騒音源からの伝搬音波
    を該所定位置において打ち消すための音波を放射する電
    気機械変換手段と、該電気機械変換手段の配設位置と前
    記所定位置との間又は該所定位置に設けられ、該電気機
    械変換手段及び前記騒音源からの伝搬音波を検出し電気
    信号に変換する第2の機械電気変換手段と、前記第1の
    機械電気変換手段の出力信号と第2の機械電気変換手段
    の出力信号との差を求める演算手段と、 該演算手段の出力信号を取り込み、与えられた伝達関数
    に基づいて電子消音システムの消音量が最大になるよう
    に前記電気機械変換手段に与える駆動信号を作成する駆
    動信号作成手段と、 該駆動信号作成手段に付与すべき伝達関数を決定し、該
    伝達関数を特定する為の制御パラメータを駆動信号作成
    手段に設定すると共に、伝搬通路の伝搬特性の変化及び
    制御系の特性変化に応じて前記制御パラメータを修正す
    る制御手段とを有し、制御手段は擬似信号を前記電気機
    械変換手段に出力して音波の伝搬通路内に音波を放射し
    、第2の機械電気変換手段の出力信号に基づいて該出力
    信号が最小となるように駆動信号作成手段の出力端から
    第2の機械電気変換手段に至る音波の伝搬通路及び電気
    信号の伝送路を含む伝送系の伝送特性を示す時間遅延を
    伴う伝達関数を特定し、該特定された時間遅延を伴う伝
    達関数を考慮して所定の適応アルゴリズムに基づいて前
    記駆動信号作成手段に付与すべき伝達関数を決定するこ
    とを特徴とする電子消音システム。
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