(57)【要約】【課題】経時変化により音響伝達特性が変動する場合や、外部からの雑音の混入が著しい条件下においても安定に動作するとともに、制御対象周波数以外の騒音が増音し不快音が発生する場合を検出して最適な騒音低減効果を得ることができる能動型騒音低減装置を提供する。【解決手段】２つの１タップデジタルフィルタからなる騒音制御処理回路１０１の出力に基づいて駆動される電気音響変換手段１１１からの放射音により騒音の打ち消しを行う能動型騒音低減装置において、騒音制御処理回路１０１からの出力信号Ｖａを入力とする２つの１タップデジタルフィルタからなる処理回路１１２の出力信号Ｖｄと、その出力信号Ｖｄと前記出力信号Ｖａを加算した信号Ｖｓを比較し、比較結果によって前記騒音制御処理回路１０１の制御方法を変更し、制御周波数と異なる周波数の騒音が増音され不快音として発生することを防ぐ制御変更手段１１７を有することを特徴とする。【選択図】図１
2008040410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンなどの回転に起因した騒音を能動的に低減するために、騒音源の騒音の周波数を検出する騒音周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出された騒音の周波数と同一の周波数をもつ正弦波を生成する正弦波生成手段及び余弦波を生成する余弦波生成手段と、前記正弦波生成手段及び余弦波生成手段からの出力をそれぞれ処理する第１の１タップデジタルフィルタ及び第２の１タップデジタルフィルタと、前記第１の１タップデジタルフィルタと第２の１タップデジタルフィルタからの出力が加算された騒音制御信号を前記騒音に干渉させるための制御音響信号として変換する電気音響変換手段と、前記騒音を低減させる位置の近傍に配置され、前記騒音と前記制御音響信号との干渉結果をエラー信号として電気信号に変換する音響電気変換手段からなり、前記第１の１タップデジタルフィルタと第２の１タップデジタルフィルタの係数を前記音響電気検出手段からの前記エラー信号と前記正弦波生成手段からの正弦波信号と前記余弦波生成手段からの余弦波信号とで作成された参照信号とで逐次更新することによって前記音響電気変換手段の位置での前記騒音を低減する能動騒音制御装置において、前記正弦波生成手段及び余弦波生成手段からの出力をそれぞれ処理する第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタとこれら第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタの出力を加算した第１の制御状態信号と前記第１の制御状態信号と前記騒音制御信号を加算した第２の制御状態信号と前記第２の制御状態信号と前記正弦波生成手段からの正弦波信号及び余弦波生成手段からの余弦波信号とで前記第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタの係数を逐次更新する係数更新手段と前記能動騒音制御装置の制御状態を変更する制御変更手段をもち、前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号を比較することによって前記制御変更手段により前記能動騒音制御装置の制御状態を変更することを特徴とする能動型騒音低減装置。
【請求項２】
請求項１に記載の能動型騒音低減装置において、前記制御変更手段は前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号を比較することによって前記能動騒音制御装置の前記電気音響変換手段からの前記制御音響信号を停止させることを特徴とする能動型騒音低減装置。
【請求項３】
請求項１に記載の能動型騒音低減装置において、前記制御変更手段は前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号を比較することによって前記能動騒音制御装置の前記第１の１タップデジタルフィルタ及び第２の１タップデジタルフィルタの係数更新における収束係数の値を変化させることを特徴とする能動型騒音低減装置。
【請求項４】
請求項１に記載の能動型騒音低減装置において、前記制御変更手段は前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号を比較することによって前記能動騒音制御装置の前記参照信号の値を変化させることを特徴とする能動型騒音低減装置。
【請求項５】
請求項１に記載の能動型騒音低減装置において、前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号の比較値がある閾値を超えた回数及びその時の騒音周波数を記憶する記憶手段を持ち、その記憶手段の内容に基づき前記制御変更手段により、前記能動騒音制御装置の制御状態を変更することを特徴とする能動型騒音低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンなどの回転に伴って発生する特定の周波数を顕著に含む不快な騒音に対し、逆位相かつ等振幅の信号を干渉させることでこの騒音を低減する能動型騒音低減装置に関するもので、特に本発明では騒音状態の変化や能動騒音低減装置の外部環境変化があっても、目的とする低減周波数成分以外の周波数の騒音の増音を抑えることによって、環境変化の激しい場所でも動作が可能な能動型騒音低減装置を実現することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
従来のこのような技術としては、能動型騒音低減装置が持つスピーカ等の電気音響変換装置の入出力信号を検知して伝播騒音以上の騒音の発生を検出する方法が知られている。例えば特許文献１に開示されておりその原理図は図１４である。図において、音波の伝播通路１には、騒音を検出する第１のマイクロホン２と消音効果を評価する第２のマイクロホン３が各々設置されている。更に、第１、第２のマイクロホン２、３の間には消音スピーカ４が設けられている。また第１のマイクロホン２と消音スピーカ４の間には制御装置５が設けられている。更に、消音スピーカ４と制御装置５との間には消音スピーカ４の入力信号を検出する入出力信号検出手段６と、検出出力信号を平均する平均化手段７と、平均化出力信号とある設定値とを比較する比較手段８と、前記比較出力信号を受けて能動型騒音低減装置の動作を停止する停止手段９が設けられている。
【０００３】
次に動作について説明する。上記構成において伝播騒音は先ず第１のマイクロホン２により検出され制御装置５に入力される。また、制御装置５には第２のマイクロホン３からの消音効果を評価するための評価信号が入力される。制御装置５は消音スピーカ４からの放射された消音用音波と伝播騒音との相互干渉により第２のマイクロホン３の出力がゼロになるような駆動信号を消音スピーカ４に出力する。また、消音スピーカ４への信号を入出力信号検出手段６によって検出し、その検出信号を平均化手段７によって平均化し、その平均出力信号を比較手段８に入力してある設定値と比較する。ここで、騒音の変化や外部環境の変化があり、制御系の乱れが生じて伝播騒音以上の騒音を消音スピーカ４が出力し、前記平均出力信号が前記設定値よりも大きいと判断すると、その結果を比較手段８が出力し、その出力信号によって能動型騒音低減装置の動作を停止する停止手段９が制御装置５の動作を停止させる。
【特許文献１】特開平４−２８２６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来技術に係る能動型騒音低減装置では、あらかじめ予測しておいた設定値以上の出力が検知された場合に動作するものであり、平均出力信号が設定値以下でも伝播騒音と干渉せずに騒音となる音波が出力されると、伝播騒音に出力音波が加わり結果として騒音が増音し、不快音として騒音が悪化する可能性がある。また、一時的な外乱などが発生し時間が経過して制御系が初期状態に戻った場合、一旦騒音の増音が検出されて制御を停止してしまうと再度制御を行うことができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る請求項１に記載の発明は、エンジンなどの回転に起因した騒音を能動的に低減するために、騒音源の騒音の周波数を検出する騒音周波数検出手段と、前記周波数検出手段で検出された騒音の周波数と同一の周波数をもつ正弦波を生成する正弦波生成手段及び余弦波を生成する余弦波生成手段と、前記正弦波生成手段及び余弦波生成手段からの出力をそれぞれ処理する第１の１タップデジタルフィルタ及び第２の１タップデジタルフィルタと、前記第１の１タップデジタルフィルタと第２の１タップデジタルフィルタからの出力が加算された騒音制御信号を前記騒音に干渉させるための制御音響信号として変換する電気音響変換手段と、前記騒音を低減させる位置の近傍に配置され、前記騒音と前記制御音響信号との干渉結果をエラー信号として電気信号に変換する音響電気変換手段からなり、前記第１の１タップデジタルフィルタと第２の１タップデジタルフィルタの係数を前記音響電気検出手段からの前記エラー信号と前記正弦波生成手段からの正弦波信号と前記余弦波生成手段からの余弦波信号とで作成された参照信号とで逐次更新することによって前記音響電気変換手段の位置での前記騒音を低減する能動騒音制御装置において、前記正弦波生成手段及び余弦波生成手段からの出力をそれぞれ処理する第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタとこれら第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタの出力を加算した第１の制御状態信号と前記第１の制御状態信号と前記騒音制御信号を加算した第２の制御状態信号と前記第２の制御状態信号と前記正弦波生成手段からの正弦波信号及び余弦波生成手段からの余弦波信号とで前記第３の１タップデジタルフィルタ及び第４の１タップデジタルフィルタの係数を逐次更新する係数更新手段と前記能動騒音制御装置の制御状態を変更する制御変更手段をもち、前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号を比較することによって前記制御変更手段により前記能動騒音制御装置の制御状態を変更する構成となっている。
【０００６】
この本発明にかかる請求項１に記載の能動型騒音低減装置によれば、第１と第２の２つの適応型１タップデジタルフィルタによる処理回路でもとの騒音の周波数を中心とする騒音制御信号を生成し、もとの騒音と干渉させて騒音を低減するが、何らかの理由で前記処理回路がもとの騒音の周波数とは異なった制御信号成分を生成して増音状態となることを、第３と第４の２つの適応型１タップデジタルフィルタを用い、制御信号を騒音の周波数成分とそれ以外の周波数成分とに分離、比較することによって判断し、騒音制御信号を生成する処理回路の制御状態を変更して不快な増音現象を抑制できるという簡単な構成で安全性の高い能動型騒音低減装置が実現できる。
【発明の効果】
【０００７】
以上の説明のように本発明によれば、能動型騒音低減装置の現在の伝達特性が初期伝達特性から著しく変化した場合などに、制御対象周波数と異なる周波数にて増音を生じ結果として消音効果よりも増音による不快音が大きくなる場合、その制御状態を検出してデジタルフィルタの係数更新手段を制御することにより制御方法を最適に制御し、異常信号の出力を抑えることで制御対象位置における異常音の発生を抑制して理想的な騒音低減効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明にかかる能動型騒音低減装置を実施の形態によって説明する。
【０００９】
図１は本発明の実施の形態にかかる能動型騒音低減装置の構成を示すブロック図である。
【００１０】
騒音源からの信号に基づいて騒音に関係する特定の周波数の正弦波を発生する正弦波生成手段１０２、同一の周波数の余弦波を生成する余弦波生成手段１０３があり、処理回路１０１は、前記正弦波生成手段１０２及び余弦波生成手段１０３のそれぞれの出力を処理する第１の１タップデジタルフィルタ１０４及び第２の１タップデジタルフィルタ１０５、正弦波生成手段１０２及び余弦波生成手段１０３へそれぞれ模擬伝達特性１０８を乗じた出力とマイクロフォン等の騒音を検知する音響電気変換手段１０９からの出力が入力された２つの係数更新手段１０６、１０７からなり、これらの係数更新手段はそれぞれ第１の１タップデジタルフィルタ１０４及び第２の１タップデジタルフィルタ１０５の係数を逐次更新している。処理回路１０１の出力は電力増幅器１１０により増幅され、スピーカ等の電気音響変換手段１１１に加えられる。また、処理回路１１２は、前記正弦波生成手段１０２及び余弦波生成手段１０３のそれぞれの出力を処理する第３の１タップデジタルフィルタ１１３及び第４の１タップデジタルフィルタ１１４、正弦波生成手段１０２及び余弦波生成手段１０３からの出力と、２つの１タップデジタルフィルタ１１３及び１１４の出力を加算した第１の制御状態信号に処理回路１０１からの出力である騒音制御信号を加算した第２の制御状態信号を入力とする２つの係数更新手段１１５、１１６からなり、これらの係数更新手段はそれぞれ第３の１タップデジタルフィルタ１１３及び第４の１タップデジタルフィルタ１１４の係数を更新している。また、前記第１の制御状態信号と前記第２の制御状態信号が制御変更手段１１７へ入力され、それら２つの制御状態信号を比較することによって、この制御変更手段１１７が処理回路１０１の制御状態を変更している。
【００１１】
ここで、図１に示した本発明の実施の形態における騒音低減メカニズムを説明する為に図１における処理回路１０１の入出力特性について説明する。
【００１２】
図２は図１における処理回路１０１において出力から入力への接続を除いたもののブロック図であり、ここに記載の標記を使用して処理回路１０１の入出力特性を説明する。ここで処理回路１０１の入力信号はｃｏｓ（ωｔ＋α）、正弦波生成手段１０２及び余弦波生成手段１０３の生成信号に模擬伝達特性Ｃ^を乗じた値をそれぞれｓｉｎ（ω0ｔ＋β）、ｃｏｓ（ω0ｔ＋β）とする（説明の簡易化のために、模擬伝達特性の振幅利得は１とする）。また係数更新手段１０６、１０７は一般的にＬＭＳアルゴリズムによりそれぞれ、２つの１タップデジタルフィルタ１０４、１０５の係数を更新しているが、その係数更新式は２つの１タップデジタルフィルタの現在の係数をそれぞれＢｎ、Ａｎで表すと
【００１３】
【数１】
2008040410.tif 000003
【００１４】
ここでμは収束係数と呼ばれる小さな係数値である。また、
【００１５】
【数２】
2008040410.tif 000004
【００１６】
という指数表現で表し計算を進める。
【００１７】
まず、適応フィルタの係数Ａｎ、Ｂｎの変化△Ａｎ、△Ｂｎは次の式で表される。
【００１８】
【数３】
2008040410.tif 000005
【００１９】
ここで、ω0＋ω＝ωｘ，ω0−ω＝ωｙ，α＋β＝θ，α−β＝γとすると
【００２０】
【数４】
2008040410.tif 000006
【００２１】
ここで逐次更新された結果のＡｎ、Ｂｎは上式をそれぞれ積分して
【００２２】
【数５】
2008040410.tif 000007
【００２３】
となる。また、Ａ及びＢの積分定数を０とし、ωがω0の近傍においてはωｘ》ωｙなのでωｘの項を無視すると
【００２４】
【数６】
2008040410.tif 000008
【００２５】
となる。
【００２６】
これにそれぞれ正弦波生成手段１０２、余弦波生成手段１０３からの信号が加えられるので、それぞれ２つの１タップデジタルフィルタからの出力Ｅａ、Ｅｂは
【００２７】
【数７】
2008040410.tif 000009
【００２８】
となるので、出力Ｅｔ（＝Ｅａ＋Ｅｂ）は
【００２９】
【数８】
2008040410.tif 000010
【００３０】
すなわち、式（１）は入力としてｃｏｓ（ωｔ＋α）が加えられて出力される信号であり、ω＜ω0の時には入力信号より位相が−β−９０°、ω0＜ωの時には入力信号より位相が−β＋９０°変化することを示している。また、ω＝ω0の時には位相が１８０°−βとなる。
【００３１】
図３に処理回路１０１の入出力特性ｆ（ω）を示す。
【００３２】
ｆ（ω）＝｛μ／２（ω0−ω）｝／｛−（β＋π／２）｝で表わされる。
【００３３】
ここで、処理回路１０１から騒音検知装置１０９の位置までの実際の伝達特性をσ（ω）とし、その特性がω0近傍にて図４のように表されるとすると、ａｒｇ｛σ（ω0）｝＝βかつ｜σ（ω0）｜＝１（＝０ｄＢ）、すなわち模擬伝達特性と実際の伝達特性がほぼ等しい場合には、騒音検知装置１０９における出力信号の位相特性は図５のようになる。
【００３４】
ここで、実際の伝達関数が変化した場合を考える。例えば、σが変化してａｒｇ｛σ（ω0）｝＝β＋６０°となった場合、騒音検知装置１０９における出力信号の位相特性は図６となり、ω0より僅かに低い周波数で位相が０°となっていることがわかる。このことは、騒音検知装置１０９においてその出力から入力までの伝達特性が正帰還であることを示しており、制御対象周波数と異なる信号が入力された場合に、その信号がフィルタにより十分に減衰せず場合によっては増幅されて電気音響変換装置１１１より出力されることがわかる。また、σが変化してａｒｇ｛σ（ω0）｝＝β−６０°となった場合、騒音検知装置１０９における出力信号の位相特性は図７となり、ω0より僅かに高い周波数で位相が０°となっていることがわかる。このことから同様に、制御対象周波数と異なる信号が入力された場合に、その信号がフィルタにより十分に減衰せず場合によっては増幅されて電気音響変換装置１１１より出力されることがわかる。
【００３５】
以上のように、伝達特性の変化により制御周波数とは異なるがその近傍の周波数の騒音が大きい場合、制御周波数の騒音は低減されるが制御周波数とは異なる周波数の騒音は増幅されて最適な消音効果を得られなくなる。また、制御周波数の騒音が他の騒音より小さく制御効果が感じられない場合に、制御周波数と異なるがその近傍の周波数の騒音が存在するとその騒音が僅かに増幅されただけでも全体的には消音効果が得られなくなる。このような場合には騒音制御を停止する、もしくは収束係数μを小さくして増音を抑える等の操作が必要となる。
【００３６】
つぎに制御状態を検出するメカニズムを説明する。
【００３７】
図８は処理回路１１２において、入力から出力への接続を除いたもののブロック図であり、上記に述べた処理回路１０１においてβ＝０とした場合と同様の動作を行うものである。すなわち、入力ｃｏｓ（ωｔ＋α）に対して、
【００３８】
【数９】
2008040410.tif 000011
【００３９】
なる出力を得る。この処理回路１１２の出力は、ω＜ω0の時には入力信号より位相が９０°遅れ、ω＝ω0で１８０°ω＞ω0で９０°進む。また振幅利得はω0＝ωで無限大となりωがω0から離れるに従って、｜ω0−ω｜に逆比例して低下していくのがわかる。
【００４０】
図９は上記により計算した図８のブロック図の伝達特性Ｅｔ／Ｅｉの特性図例である。
【００４１】
つぎに処理回路１１２の伝達特性を説明する。図１０は、図８のブロック図を処理回路１１２が図１のブロック図における動作と同じ動作をするように、図８のブロック図の出力を入力にフィードバックした状態を表すブロック図であり、その伝達関数はＦ（ｓ）で表され図９に示す特性であるとする。このブロック図の伝達特性は
【００４２】
【数１０】
2008040410.tif 000012
【００４３】
で表される。この（式）で表される周波数特性例を図１１に示す。
【００４４】
これから、処理回路１１２がω0を中心とするバンドパスフィルターの特性であることがわかる。またω0にて位相が１８０°であることもわかる。すなわち、図１において処理回路１０１からの騒音制御信号Ｖａがω0の周波数成分を主に含むときには、処理回路１１２の出力である第１の制御状態信号Ｖｄは前記の出力Ｖａと位相が１８０°反転した信号となり、これら２つの信号の和である第２の制御状態信号Ｖｓ（＝Ｖａ＋Ｖｄ）は非常に小さくなる。ここで、Ｖａに対するＶｄの周波数特性は、
【００４５】
【数１１】
2008040410.tif 000013
【００４６】
であるから図１１となる。また、Ｖａに対するＶｓの周波数特性は、これまでの結果より計算すると図１２となる。これらの特性の振幅利得を比較したものが図１３である。制御変更手段１１７は、ＶｄとＶｓを比較し、Ｖｄが大きい場合には通常の騒音低減処理を行っていると判断し、処理回路１０１が通常動作を行うよう制御する。しかし、制御周波数以外の周波数における増音が制御周波数における消音より効果が大きくなった場合、処理回路１０１からの出力Ｖａはω0とは異なる周波数成分ω’を相対的に多く含む。このとき、処理回路１１２はバンドパスフィルタの特性を持つことから、入力に対してそのときの第１の制御状態信号Ｖｄは小さくなり第２の制御状態信号Ｖｓが大きくなる。つまり、図１３においてＶｓ／Ｖａ＞Ｖｄ／Ｖａとなる場合である。このとき制御変更手段１１７はＶｄとＶｓを比較し、Ｖｓが大きい場合には制御が適切でないと判断し、処理回路１０１の制御条件、たとえば制御を停止する、収束係数μを小さくする等の変更を行うことによって騒音が増音することによる不快な状態に陥ることが防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上の説明のように本発明によれば、能動型騒音低減装置の現在の伝達特性が初期伝達特性から著しく変化した場合などに、制御対象周波数と異なる周波数にて増音を生じ結果として消音効果よりも増音による不快音が大きくなる場合、その制御状態を検出してデジタルフィルタの係数更新手段を制御することにより制御方法を最適に制御し、異常信号の出力を抑えることで制御対象位置における異常音の発生を抑制して理想的な騒音低減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる能動型騒音低減装置のブロック図
【図２】処理回路１０１の伝達特性を計算する為のブロック図
【図３】図２のブロック図における伝達特性例を示す図
【図４】処理回路１０１から騒音検出装置１０９までの伝達特性例を示す図
【図５】図４の伝達特性を有する場合の図２のブロック図における伝達特性を示す図
【図６】伝達特性が図４から変化した場合の図２のブロック図における伝達特性例１を示す図
【図７】伝達特性が図４から変化した場合の図２のブロック図における伝達特性例２を示す図
【図８】処理回路１１２のブロック図
【図９】図８のブロック図における伝達特性例を示す図
【図１０】負帰還を含んだ処理回路の特性を求めるためのブロック図
【図１１】騒音制御信号と第１の制御状態信号の特性例を示す図
【図１２】騒音制御信号と第２の制御状態信号の特性例を示す図
【図１３】図１１と図１２の振幅利得の比較を示す図
【図１４】従来の能動型騒音低減装置のシステム図
【符号の説明】
【００４９】
１  騒音伝播路
２  第１のマイクロホン
３  第２のマイクロホン
４  消音スピーカ
５  制御装置
６  入出力信号検出手段
７  平均化手段
８  比較手段
９  能動型騒音低減装置の動作を停止する停止手段
１０１  騒音低減用処理回路
１０２  正弦波生成手段
１０３  余弦波生成手段
１０４  １タップデジタルフィルタ
１０５  １タップデジタルフィルタ
１０６  係数更新手段
１０７  係数更新手段
１０８  模擬伝達特性
１０９  騒音検知手段
１１０  電力増幅器
１１１  第１の変換手段
１１２  発散検出用処理回路
１１３  １タップデジタルフィルタ
１１４  １タップデジタルフィルタ
１１５  係数更新手段
１１６  係数更新手段
１１７  発散検出装置
【図１】
2008040410.tif 000014
【図２】
2008040410.tif 000015
【図３】
2008040410.tif 000016
【図４】
2008040410.tif 000017
【図５】
2008040410.tif 000018
【図６】
2008040410.tif 000019
【図７】
2008040410.tif 000020
【図８】
2008040410.tif 000021
【図９】
2008040410.tif 000022
【図１０】
2008040410.tif 000023
【図１１】
2008040410.tif 000024
【図１２】
2008040410.tif 000025
【図１３】
2008040410.tif 000026
【図１４】
2008040410.tif 000027