(57)【要約】【課題】制御系が不安定になることを抑制する。【解決手段】ピエゾアクチュエータ２の入力電圧Ｕと出力振動ｖ間の伝達関数ＧＵｖが示すゲイン値が所定値以上になる周波数領域ｗａが、ピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαが示すゲイン値が所定値以下になる第２の周波数領域ｗｅに含まれるので、加速度センサ１とピエゾアクチュエータ２との間のゲインが小さくなり、制御系が不安定になることを抑制できる。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物内部の制御空間における騒音を検出又は推定する騒音検出手段と、
前記制御空間に波動を印加する波動印加手段と、
前記騒音検出手段により検出又は推定された騒音に基づいて、当該騒音を低減するように前記波動印加手段が印加する波動を制御する騒音制御手段とを備え、
前記波動印加手段の入力と当該波動印加手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以上になる第１の周波数領域が、前記波動印加手段の出力と前記騒音検出手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以下になる第２の周波数領域内に含まれること
を特徴とする騒音制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の騒音制御装置において、
前記第１の周波数領域は前記波動印加手段の固有周波数を調整することにより設定されることを特徴とする騒音制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の騒音制御装置において、
前記第２の周波数領域は前記波動印加手段の出力と前記騒音検出手段の出力との間の伝達関数が最小値を示す周波数値近傍の周波数領域であることを特徴とする騒音制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の騒音制御装置において、
前記第１の周波数領域は前記波動印加手段の出力と前記制御空間内の音圧との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以上になる周波数領域内に含まれることを特徴とする騒音制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の騒音制御装置において、
前記第１の周波数領域はロードノイズの音圧レベルが所定値以上になる周波数領域に設定されていることを特徴とする騒音制御装置。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の騒音制御装置において、
前記波動印加手段の固有周波数は当該波動印加手段の出力と前記騒音検出手段の出力との間の伝達関数が最小値を示す周波数に設定されていることを特徴とする騒音制御装置。
【請求項７】
騒音検出手段を利用して構造物内部の制御空間内における騒音を検出又は推定する第１処理と、
前記第１処理により検出又は推定された騒音を低減するように波動印加手段を利用して当該制御空間に波動を印加する第２処理と、
前記第２の処理では、前記波動印加手段の入力と当該波動印加手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以上になる第１の周波数領域が、前記波動印加手段の出力と前記騒音検出手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以下になる第２の周波数領域内に含まれること
を特徴とする騒音制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波や振動等の波動を騒音に重ね合わせることにより騒音を低減する騒音制御装置及び騒音制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、フィードバック制御回路と適応予測制御を併用して振動センサにより検出された車体の振動に基づいて車両に設置されたアクチュエータを駆動することにより、車室内の騒音を低減する騒音制御装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２５９１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の騒音制御装置では、フィードバック制御回路が振動センサ，コントローラ，及びアクチュエータにより構成される閉ループ構造であるために、アクチュエータ出力と振動センサの出力間の伝達関数が示すゲイン値が高い場合、制御系が不安定になり、騒音を効果的に低減できなくなることがある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は制御系が不安定になることを抑制可能な騒音制御装置及び騒音制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、波動印加手段の入力と波動印加手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以上になる第１の周波数領域が、波動印加手段の出力と騒音検出手段の出力との間の伝達関数が示すゲイン値が所定値以下になる第２の周波数領域内に含まれる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、騒音検出手段と波動印加手段との間のゲインが小さくなるので、制御系が不安定になることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】路面の凹凸の影響による車体の振動及びロードノイズが伝播する様子を示す概念図である。
【図２】本発明の実施形態となる騒音制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】騒音制御時における音及び振動の伝播経路を示す模式図である。
【図４】本実施形態における加速度センサ，ピエゾアクチュエータ，及び制御空間のレイアウト図である。
【図５】図２に示す制御指令値算出部の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示す制御指令値算出部の内部構成の変形例を示すブロック図である。
【図７】コントローラＣ０（ｓ）と推定モデルｅＧｕα（ｓ）の組み合わせを示すブロック図である。
【図８】従来の騒音制御系の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施形態となるピエゾアクチュエータの構成を示す（ａ）上面図，（ｂ）Ａ方向側面図，及び（ｃ）Ｂ方向側面図である。
【図１０】（ａ）ピエゾアクチュエータの入力電圧Ｕと出力振動ｖ間の伝達関数ＧＵｖと（ｂ）ピエゾアクチュエータの出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαを示す。
【図１１】（ａ）伝達関数ＧＵｖのゲインが高くなる周波数領域ｗａ，（ｂ）伝達関数Ｇｖαのゲインが低くなる周波数領域ｗｂ，及び（ｃ）伝達関数ＧＵｖのゲインと伝達関数Ｇｖαのゲインとの積を示す。
【図１２】（ａ）ピエゾアクチュエータの出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαと（ｂ）騒音低減効果を示す。
【図１３】複数の加速度センサの伝達関数Ｇｖα（点線）を含む包絡線を示す図である。
【図１４】複数の加速度センサの伝達関数Ｇｖα（点線）の和を表す曲線を示す図である。
【図１５】図９に示すピエゾアクチュエータの変形例の構成を示す上面図である。
【図１６】図９に示すピエゾアクチュエータの変形例に構成を示す側面図である。
【図１７】複数のピエゾアクチュエータの伝達関数ＧＵｖの包絡線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる騒音制御装置について説明する。なお本実施形態の騒音制御装置は、車両が走行している路面の凹凸に起因する騒音（以下、ロードノイズと表記）を低減することを目的とするものであるが、本発明は本実施形態に限定されることはなく、エンジンの振動に起因するエンジン騒音，車両走行時に空気の気流によって発生する風切音等、ロードノイズ以外の騒音の低減にも適用することができる。
【００１０】
〔ロードノイズの伝播経路〕
始めに、図１（ａ），（ｂ）を参照して、ロードノイズの伝播経路について説明する。一般に、タイヤ５０を介して車体に伝達したロードノイズの主成分となる振動は、図１（ｂ）に示すように、車軸５１及びサスペンション５２の取付部を介してメンバ５３（剛性が高い梁状の部材）に伝達した後、図１（ａ）に示すように、メンバ５３によって囲まれたフロアパネル５４（比較的剛性が低い板状部材）に伝達することによりフロアパネル５４を振動させる。そしてフロアパネル５４が振動することによって車室内の空気が振動し、車室内に共振現象が生じることにより、車室空間（以下、制御空間と表記）５５内においてロードノイズが聞こえるようになる。
【００１１】
なお騒音はフロアパネル５４の他にルーフパネルや窓ガラスが振動することによっても発生するが、サスペンション５２の取付部から伝達するロードノイズの大部分はフロアパネル５４の振動と関連性が高いことが知られている。従ってフロアパネル５４の振動に応じた騒音制御を行うことにより、ロードノイズを低減させることができる。但し本発明は、フロアパネル５４の振動による騒音の低減に限定されることはなく、ダッシュパネル，フロントガラス，ルーフパネル等の同じメカニズムで発生する車室内の騒音源にも適用することができる。
【００１２】
〔騒音制御装置の構成〕
次に、図２を参照して、本発明の実施形態となる騒音制御装置の構成について説明する。
【００１３】
本発明の実施形態となる騒音制御装置は、車両に搭載され、図２に示すように、車両のフロアパネル５４の振動を測定する加速度センサ１と、フロアパネル５４に振動を与えるピエゾアクチュエータ２と、加速度センサ１の出力信号に基づいてピエゾアクチュエータ２の駆動を制御することにより制御空間５５内の騒音を低減する制御装置本体３とを主な構成要素として備える。
【００１４】
〔加速度センサ及びピエゾアクチュエータの構成〕
車両が走行している路面からタイヤに入力される加振力はフロアパネルを振動させ、図３に破線Ａで示すようにフロアパネルに設置された加速度センサ１において加振力に起因した振動が検出される。またフロアパネルの振動は車室内騒音を発生させることから、図３に実線Ｂで示すように制御空間５５内において加振力に起因した騒音が発生する。一方、ピエゾアクチュエータ２が制振振動によりフロアパネルを振動させることから、図３に破線Ｃで示すように加速度センサ１において制振振動に起因した振動が検出される。またタイヤ５０に入力された加振力の場合と同様、図３に一点破線Ｄで示すように制御空間５５内において制振振動に起因した騒音が発生する。
【００１５】
実際には図４に示すように、複数のタイヤ５０から複数のタイヤ加振力が入力され、複数のタイヤ加振力による騒音が重なり合ってロードノイズとなる。従って騒音制御を行うためには、騒音源に含まれる独立した騒音成分を全て抽出する必要があることから、加速度センサ１の数は騒音成分の数より多くする必要がある。またピエゾアクチュエータ２については、制御空間５５での騒音を低減するために十分な数が車体のフロアパネルの適切な位置に貼り付けられる。本実施形態では、図４に示すように、制御空間５５を２つ（５５ａ，５５ｂ）として、加速度センサ１は５つ（１ａ〜１ｅ）、ピエゾアクチュエータ２は４つ（２ａ〜２ｄ）設けられている。
【００１６】
このようにタイヤ加振力，加速度センサ，ピエゾアクチュエータ，及び制御空間が複数存在する場合、各加速度センサでは、全てのタイヤ加振力とピエゾアクチュエータによる振動とが重なり合って検出され、各制御空間では、全てのタイヤ加振力とピエゾアクチュエータによる振動とが重なり合って発生する。従って、フロアパネル上に配置する加速度センサの数及びその配置位置は、各加速度センサと制御空間における騒音の音圧との間のコヒーレンシーが十分高くなるように（例えば０．９以上）決定することが望ましい。なおコヒーレンシーＣｘｙ（ω）は、以下の数式１により定義され、信号ｘと信号ｙとの間の因果関係の度合いを表す。数式１中、Ｐｘｙは信号ｘと信号ｙとの間のクロスパワースペクトル、Ｐｘｘは信号ｘのオートパワースペクトル、Ｐｙｙは信号ｙのオートパワースペクトルを示す。またＰＨはＰのエルミート転置行列を示す。
【数１】
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【００１７】
〔制御装置本体の構成〕
制御装置本体３は、図２に示すように、加速度センサ１により検出されたアナログ形態の加速度信号αを増幅する増幅部４，増幅部４により増幅された加速度信号αをデジタル形態に変換するＡ／Ｄ変換部５と、ピエゾアクチュエータ２の駆動を制御する制御指令値を算出する制御指令値算出部６，制御指令値算出部６により算出された制御指令値をアナログ形態に変換するＤ／Ａ変換部７，及びアナログ形態の制御指令値を増幅してピエゾアクチュエータ２に出力する増幅部８を備え、ピエゾアクチュエータ２は増幅部８から出力された制御指令値に従ってフロアパネルを振動させる。なお加速度センサ１がいわゆるチャージタイプである場合、増幅部４は加速度センサ１により検出された電荷を電圧信号に変換した後にＡ／Ｄ変換部５に出力する。
【００１８】
〔制御指令値算出部の構成〕
制御指令値算出部６は、マイクロコンピュータにより構成され、制御周期（例えば１ｍｓｅｃ）毎に制御指令値を演算する。本実施形態では、制御指令値算出部６は、図５に示すように、タイヤ加振力に起因した加速度センサ１の位置における振動ｄから制御空間音圧ＳＰＬまでの伝達関数ＧｄＳＰＬ（ｓ）を表すブロック，ピエゾアクチュエータ２へのコントローラ出力ｕから制御空間音圧ＳＰＬまでの伝達関数ＧｕＳＰＬ（ｓ）を表すブロック，コントローラの伝達関数Ｃ（ｓ）を表すブロック，及びピエゾアクチュエータ２へのコントローラ出力ｕから加速度信号αまでの伝達関数Ｇｕα（ｓ）を表すブロックを有する。制御指令値算出部６は、加速度信号αからコントローラ伝達特性Ｃ（ｓ）を用いて制御空間における騒音を低減するようにピエゾアクチュエータへの駆動制御指令値ｕを算出する。加速度信号αと騒音制御指令値ｕの関係は以下の数式２，３で表される。ここで数式２，３中、パラメータＡＣ，ＢＣ，ＣＣ，ＤＤはコントローラ伝達特性Ｃ（ｓ）を表すパラメータであり、騒音制御指令値ｕは以下の数式２，３を用いて加速度信号αから算出される。
【数２】
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【数３】
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【００１９】
なおコントローラは、例えばＨ２制御を用いて再設計することができる。具体的には、始めに図５に示す騒音制御系からコントローラと伝達関数Ｇｕα（ｓ）を抜き取ることにより図６に示すように変形する。ここでＷｃ（ｓ）はピエゾアクチュエータ２の出力の重み関数，ｕはアクチュエータ指令値，ｙは加速度信号を示す。伝達関数Ｇｕα（ｓ）を抜き取る理由は、アクチュエータ指令値ｕから加速度信号αへの振動回り込みがないもとのしてコントローラＣ０（ｓ）を設計するためである。この図６に示す一般化プラントを用いてＨ２制御で設計すれば、ｄからｚ１，ｚ２へのＨ２ノルムを最小化するようにコントローラ０（ｓ）が設計されるので、ロードノイズを低減するようなコントローラが得られる（Ｈ２制御に関しては、Active Structural Acoustic Control in a car cabin using a virtual sound sensing method, メンスレミシェル（日産自動車），高松吉郎，出口欣高，屋代春樹，Dynamics and Design Conference 2006 (D&D2006)参照）。実際にはアクチュエータ指令値ｕから加速度信号αへの振動回り込みがあるので、この回り込みを排除するために、図７に示すように伝達関数Ｇｕα（ｓ）の推定モデルｅＧｕα（ｓ）を用いてコントローラ出力ｕから回り込み量を推定し、加速度信号αから減算することにより、コントローラＣ０（ｓ）の入力である外乱ｄを抽出する。従って、図７に示すように、コントローラＣ０（ｓ）と推定モデルｅＧｕα（ｓ）の組み合わせをコントローラＣとする。
【００２０】
ところでいま図８において、パラメータαを加速度信号，Ｕをピエゾアクチュエータ２の入力電圧，ｖをピエゾアクチュエータ２の出力振動，ＳＰＬを制御空間音圧，Ｃをコントローラ，ＧＵｖをピエゾアクチュエータ２の入力電圧Ｕと出力振動ｖ間の伝達関数，ＧｖＳＰＬをピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと制御空間音圧ＳＰＬ間の伝達関数，Ｇｖαをピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数であるとすると、従来の騒音制御装置では、図８に矢印で示すように、ピエゾアクチュエータ２と加速度センサ１間に閉ループ構造が形成されるために、制御系が不安定になることがある。
【００２１】
そこで本実施形態では、ピエゾアクチュエータ２を以下のように構成することによりピエゾアクチュエータ２の固有周波数を形成する。すなわち本実施形態におけるピエゾアクチュエータ２は、図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、矩形形状のバイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１と、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１の長手方向一端側を上下面で挟持するプレート２２ａ，２２ｂと、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１の長手方向他端側上面に配置された重り２３とを有する。ピエゾアクチュエータ２は、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、ボルト２４ａ，２４ｂによってプレート２２ａ，２２ｂをフロアパネル５４に固定することによりバイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１の長手方向他端側がフロアパネル５４の上面から離間した状態でフロアパネル５４上に配置されている。
【００２２】
図１０（ａ）は、ピエゾアクチュエータ２の入力電圧Ｕと出力振動ｖ間の伝達関数ＧＵｖを示す。図１０（ａ）に示す通り、伝達関数ＧＵｖは最大ゲインピークＰ１を有し、この最大ゲインピークＰ１はピエゾアクチュエータ２の固有周波数に対応する。従ってピエゾアクチュエータ２の固有周波数を設定することにより、最大ゲインピークの周波数も必然的に決まる。一方、図１０（ｂ）は、ピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαを示す。図１０（ｂ）に示す通り、伝達関数Ｇｖαは幾つかの最大ゲインピークと最小ゲインピークＰ２を有する。
【００２３】
図１１（ａ）において、周波数領域ｗａは伝達関数ＧＵｖのゲインが高くなる周波数領域を示し、図１１（ｂ）において、周波数領域ｗｅは伝達関数Ｇｖαのゲインが低くなる周波数領域を示す。周波数領域ｗａの大きさは、制御系が不安定になることを抑制するために、周波数領域ｗｅの大きさよりも小さく設定されている。図１１（ｃ）は、伝達関数ＧＵｖのゲインと伝達関数Ｇｖαのゲインとの積を示す。周波数領域ｗａの大きさが周波数領域ｗｂの大きさよりも小さいことから、積が示すゲインは小さくなり、また連続的になるので、制御系は安定するようになる。
【００２４】
ピエゾアクチュエータ２の固有周波数は伝達関数Ｇｖαの最小ゲインピークＰ２付近に設定される。図１２（ａ）は、ピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαを示す。固有周波数を最小ゲインピークＰ２付近に設定される周波数領域ｗｅ内で設定することにより、図１２（ｂ）に示すように騒音低減効果が高くなることがわかる。加速度センサ１が複数ある場合には、図１３に示すように各加速度センサ１の伝達関数Ｇｖα（点線）を含む包絡線Ｌ１を決定し、包絡線Ｌ１の最小ゲインピーク付近の周波数を固有周波数とする。なお図１４に示すように、各加速度センサ１の伝達関数（点線）の和を算出し、和を示す曲線Ｌ２の最小ゲインピーク付近の周波数を固有周波数としてもよい。
【００２５】
なおピエゾアクチュエータ２の構成は図９に示す形態に限定されることはなく、図１５に示すように図９に示すピエゾアクチュエータ２を複数（図１５に示す例では３つ）設け、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１の長さや重り２３の重さをピエゾアクチュエータ２間で変化させることによりピエゾアクチュエータ２間で異なる固有周波数を設定するようにしてもよい。
【００２６】
また図１６に示すようなマスダンパーアクチュエータ構造によりピエゾアクチュエータ２を構成し、重り２３の重りを調整することにより固有周波数を設定するようにしてもよい。図１６に示すピエゾアクチュエータ２は、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１と、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１上に配置された重り２３を備え、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ素子２１と重り２３に通しボルト２４を通すことによりフロアパネル５４上に設置される。
【００２７】
ピエゾアクチュエータ２が複数ある場合には、各アクチュエータの固有周波数を異ならせることにより周波数領域ｗａを大きくすることができる。具体的には、異なるピエゾアクチュエータ２が２つある場合、図１７に示すように、各ピエゾアクチュエータの伝達関数ＧＵｖの包絡線Ｌ３に従って周波数領域ｗａが決まる。
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる騒音制御装置によれば、ピエゾアクチュエータ２の入力電圧Ｕと出力振動ｖ間の伝達関数ＧＵｖが示すゲイン値が所定値以上になる周波数領域ｗａが、ピエゾアクチュエータ２の出力振動ｖと加速度信号α間の伝達関数Ｇｖαが示すゲイン値が所定値以下になる周波数領域ｗｅに含まれるので、加速度センサ１とピエゾアクチュエータ２との間のゲインが小さくなり、制御系が不安定になることを抑制できる。
【００２９】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３０】
１：マイクロフォン
２：スピーカ
３：制御装置本体
４，８：増幅部
６：制御指令値算出部
７：Ｄ／Ａ変換部
５５：制御空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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