(57)【要約】【課題】指向性を有する騒音を消音する。【解決手段】三次元に指向性を有する騒音を発生する騒音源２に、接近してかつ非接触状態にスピーカ８ａ乃至８ｄを配置する。騒音源２からの騒音を集音して、騒音信号をマイクロホン１０ａ乃至１０ｄが集音する。少なくとも騒音信号を入力して、騒音信号と逆位相で等振幅の消音信号を、各スピーカごとに互いに独立して制御装置１２が生成して、供給する。【選択図】　　　　図１
2004037801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の領域に三次元的に定常波の騒音を発生する騒音源に接近して配置された複数の干渉音源と、
前記騒音源と前記干渉音源との間に設けられ、前記騒音を検出した騒音検出信号を生成する騒音検出手段と、
前記各干渉音源に対応して前記所定の領域に設けられ、前記騒音検出信号をフィルタ処理して、前記騒音に干渉させる干渉音を前記各干渉音源から放出させるように干渉信号を前記干渉音源に供給する複数の適応型フィルタと、
前記各干渉音源と前記各適応型フィルタとに対応して前記所定の領域に設けられ、前記騒音に前記干渉音が干渉した状態の干渉状態音を検出した干渉状態音信号を生成する干渉状態音検出手段と、
これら干渉状態音検出手段とこれらに対応する前記干渉音源との間の伝達関数と、前記干渉状態音検出手段とこれらと非対応の前記干渉音源との間の伝達関数とを考慮して、対応する前記干渉状態音検出手段からの干渉状態音信号と前記騒音検出信号とに基づいて、対応する前記適応型フィルタの係数を更新する制御手段とを、
具備する消音装置。
【請求項２】
請求項１記載の消音装置において、前記各干渉音源と前記騒音信号検出手段との距離を、前記騒音信号検出手段が騒音検出信号を発生してから、この騒音検出信号に対応する干渉信号が発生するのに要する時間よりも短い時間で、前記騒音が騒音検出手段の位置から前記干渉音源の位置までに到達するように、前記各干渉音源と前記騒音検出手段との距離を選択した消音装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雑音を消去する消音装置に関し、特に能動型の消音装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
能動型消音装置には、騒音源からの騒音が伝播している場所に、干渉音源としてスピーカを設けると共に、騒音源とスピーカとの間に設けた騒音検出手段、例えばリファレンスマイクによって騒音を集音し、集音された騒音をデジタル信号に変換して、デジタル適応型フィルタに入力して、干渉信号を生成し、この干渉信号をスピーカから拡声して、騒音を消音するものがある。干渉信号に基づく干渉音が騒音に干渉した状態の音である干渉状態音、例えばエラー音をエラーマイクによって集音し、デジタル化して、このエラー音に基づいて適応型フィルタを調整して、消音が最適に行われるようにする。
【０００３】
このような消音装置において、広範囲の消音を行う場合、騒音源とスピーカとが近いほど、広範囲で双方の波面が一致するので、両者をなるべく接近させて配置する。しかし、デジタル処理を行っている関係上、デジタル処理のための時間ｔが必要で、騒音源とマイクとの最低距離は、音速＊ｔ（ｍ）に制限される。実際には、リファレンスマイクとスピーカとの距離が問題となるが、リファレンスマイクは、騒音源とスピーカとの間に配置されると考えると、リファレンスマイクとスピーカとの最大距離は、リファレンスマイクを騒音源の直近に配置した場合となり、上記のように考えられる。
【０００４】
ここで、消音対象とする騒音が、低周波の定常音であると、上記の制限を超えて騒音源とスピーカとを更に近づけることが可能となる。通常には、干渉音を生成した元の騒音にタイミングを合わせて、その干渉音を発生する必要があるが、低周波の定常音であると、過去の騒音波も現在の騒音波も同じとみなせるので、過去の騒音波を元に生成した干渉音を現在の騒音に適応可能となるからである。
【０００５】
また、別の方法で広範囲にわたって消音しようとする場合、マルチ能動消音という技術が採用されている。これは、例えば特表平１−５０１３４４号公報や、特開平３−２７４８９７号公報等に開示されているもので、多系統の能動消音装置の信号処理計算において、自系統のエラーパスのみならず、他系統におけるエラーパスも利用して計算したフィルタ係数を適応型フィルタに使用するものである。この方法では、１つの干渉音源のみではカバーしきれないような範囲の消音も可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、低周波の定常音においては、騒音源とスピーカとを近づけて消音することで、消音範囲を拡大することができるが、騒音源とスピーカとを接近させるのにも限界があり、また、消音範囲はリファレンスマイクの近傍に限られるので、騒音源とスピーカとを近づけるだけでは、三次元空間の効率的な消音ができない。
【０００７】
また、マルチ能動消音では、三次元空間の消音を実現するためには、系統数を増加させる必要があり、系統数を増加させると、系統相互間のエラーパスを計算する必要から、膨大な量の計算が必要となり、装置も複雑化するし、計算にも時間が掛かり、現実的ではない。
【０００８】
本発明は、低周波の定常音を広範囲に効率的に消音する消音装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による消音装置では、所定の領域に三次元的に定常波の騒音を発生する騒音源に接近して、複数の干渉音源が配置されている。干渉音源としては、例えばスピーカを使用することができる。騒音源と干渉音源との間に騒音検出手段が設けられている。この騒音検出手段は、前記騒音を検出した騒音検出信号を生成する。騒音検出手段は、例えば騒音源に密着させることもできる。各干渉音源に対応して前記所定の領域に適応型フィルタが設けられている。これら適応型フィルタは、騒音検出信号をフィルタ処理して、前記騒音に干渉させる干渉音を前記各干渉音源から放出させるように、干渉信号を前記干渉音源に供給する。各干渉音源と各適応型フィルタとに対応して、前記所定の領域に干渉状態音検出手段が設けられている。この干渉状態音検出手段は、騒音に干渉音が干渉した状態の干渉状態音を検出した干渉状態音信号を生成する。前記干渉状態音検出手段からの干渉状態音信号と前記騒音検出信号とに基づいて制御手段が、適応型フィルタの係数を更新するが、この更新では、干渉状態音検出手段とこれらに対応する前記干渉音源との間の伝達関数と、干渉状態音検出手段とこれらと非対応の前記干渉音源との間の伝達関数とを考慮して、行われている。即ち、干渉音源から見て、対応関係にある干渉状態音検出手段との伝達関数だけでなく、非対応関係にある干渉状態音検出手段との間の伝達関数も考慮した所謂マルチ能動消音が行われている。
【００１０】
このように構成された消音装置では、干渉音源を騒音源に接近して配置した上に、所謂マルチ能動消音を行っている。干渉音源を騒音源に接近して配置しているので、その騒音源からの騒音自体の発生を消してしまうように機能し、消音範囲を拡大することができる。さらに、この接近して配置された干渉音源からの干渉音は、マルチ能動消音によって発生させたものであるので、より広範囲に消音することができる。
【００１１】
前記各干渉音源と前記騒音検出手段との距離は、例えば次のように決定することができる。前記騒音信号検出手段が騒音検出信号を発生してから、この騒音検出信号に対応する干渉信号が発生するのに要する時間よりも短い時間で、前記騒音が騒音検出手段の位置から前記干渉音源の位置までに到達するように、前記各干渉音源と前記騒音検出手段との距離を選択する。この距離は、騒音検出手段を騒音源に接して配置した場合には、騒音源と各干渉音源との距離も表す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態の能動型消音装置は、図１（ａ）に示すように、騒音源２からの騒音を消音するものである。同図（ｂ）に示すように、例えば高さ６ｍの建屋４と高さ３ｍの建屋６とが６ｍの間隔をおいて位置するちょうど真ん中に、騒音源２が配置されている。この騒音源は、定常波、例えば低周波定常波、具体的には１００Ｈｚの正弦波の音波を発生する例えばスピーカが使用されている。
【００１３】
この騒音源２の周囲に、複数、例えば４つの干渉音源、例えばスピーカ８ａ乃至８ｄが設けられている。これらスピーカ８ａ乃至８ｄは、騒音源２の周囲に９０度間隔に配置され、それぞれ騒音源２と反対側を向いている。これらスピーカ８ａ乃至８ｄは、騒音源２に接近して、例えば騒音源２の中心からそれぞれ約３０ｃｍの位置に位置している。
【００１４】
これらスピーカ８ａ乃至８ｄの外方には、これらスピーカ８ａ乃至８ｄと同一直線上に位置するように、干渉状態音検出手段、例えばエラーマイク１０ａ乃至１０ｄが配置されている。これらマイク１０ａ乃至１０ｄは、騒音源２の中心から例えば約６０ｃｍの位置に位置している。
【００１５】
この消音装置には制御装置１２が設けられており、これには、騒音源２に供給されているのと同じ正弦波信号が騒音検出信号として供給されている。なお、実際に騒音源２からの騒音を集音する騒音検出手段、例えばリファレンスマイクを設け、このリファレンスマイクで集音した騒音を表す騒音検出信号を制御装置１２に供給してもよい。この制御装置１２は、例えばＤＳＰやＣＰＵ、メモリ等を備えるもので、スピーカ８ａ乃至８ｄに対応させて、合計４つの適応型デジタルフィルタを構成している。これらデジタルフィルタには、騒音検出信号が供給され、この騒音信号と逆位相で等振幅の干渉信号が生成され、対応するスピーカ８ａ乃至８ｄに供給され、干渉音を拡声する。これらスピーカ８ａ乃至８ｄからの干渉音が騒音に実際に干渉した状態の音、即ち干渉状態音を、各エラーマイク１０ａ乃至１０ｄが検出し、干渉状態音検出信号、たとえばエラー信号を生成する。このエラー信号が制御装置１２に供給され、このエラー信号に基づいて、各適応型デジタルフィルタの各係数が制御装置１２において更新される。
【００１６】
この制御装置１２は、マルチ能動消音が可能に構成されており、上記各デジタルフィルタの係数の更新の際、各デジタルフィルタと、これに対応するエラーマイクとの間の伝達関数だけを考慮するのではなく、他のエラーマイクとの間の伝達関数も考慮している。例えばエラーマイク１０ａに対応するデジタルフィルタを考えた場合、このデジタルフィルタでは、当然に対応するエラーマイク１０ａとの間の伝達関数を考慮するが、さらにエラーマイク１０ｂとの間の伝達関数、エラーマイク１０ｃとの間の伝達関数、エラーマイク１０ｄとの間の伝達関数も、それぞれ考慮して、係数の更新を行っている。他のデジタルフィルタでも同様である。このようにマルチ能動消音を行うことによって、広い範囲にわたって消音が可能となる。
【００１７】
なお、各スピーカ８ａ乃至８ｄは、騒音源２と３０ｃｍと接近して配置され、騒音源２への正弦波信号がそのまま制御装置１２に供給されているので、リファレンスマイクが騒音源２に密着して取り付けられているのと等化であり、仮想のリファレンスマイクと各スピーカ８ａ乃至８ｄとは３０ｃｍの間隔で配置されているのと等化である。また、この距離は、リファレンスマイクが騒音検出信号を発生してから、この騒音検出信号に対応する干渉信号が発生するのに要する時間（騒音検出信号が制御装置１２においてデジタル処理されてスピーカから放音されるのに要する時間）よりも短い時間で、騒音がリファレンスマイクの設置位置から各スピーカ８ａ乃至８ｄの設置位置までに到達するものである。
【００１８】
図２（ａ）、（ｂ）は、騒音源２ａと干渉音源１１との距離によって消音できる範囲が変化する状態を概念的に示したもので、実線で示すのが音波の最大値、破線で示すのが音波の最小値である。図２（ａ）は騒音源２ａと干渉音源１１とを比較的離して、騒音源２ａからの音波の最大値と、干渉音源１１からの音波の最小値とが一致するように両者を配置した場合であり、騒音源２ａからの音波の最大値と、干渉音源１１からの音波の最小値とがほぼ重なり合っている範囲は、細線で囲んで示すように比較的狭い。一方、同図（ｂ）に示すように騒音源２ａと干渉音源１１とを接近して配置し、かつ騒音源２ａからの音波の最大値と、干渉音源１１からの音波の最小値とが一致させた場合、細線で囲んで示すように、両者がほぼ重なり合っている範囲が広くなる。一般の騒音において、能動消音を行おうとすると、騒音源２ａと干渉音源１１との間に存在するリファレンスマイクの位置にあった騒音が干渉音源１１の位置に到達したときに、その騒音を元にして生成された干渉音が発生している必要がある。そのため、リファレンスマイクと干渉音源１１との間には或る程度の距離が必要である。なお、騒音源２ａと干渉音源１１との間にリファレンスマイクを設置する必要があるので、リファレンスマイクと干渉音源１１との間に或る程度の距離が必要であると、干渉音源と騒音源２ａとの間には更に距離が必要である。リファレンスマイクを騒音源２ａに接触させた場合が、最も騒音源２ａと干渉音源１１との距離を縮小できる場合であり、このようにした場合でも、騒音源２ａと干渉音源１１との間には或る程度の距離が必要である。
【００１９】
ところが、定常波騒音の場合、その波形は一定であるので、過去の騒音の波形も現在の騒音の波形も同一であるので、過去にリファレンスマイクで集音された騒音に基づいて干渉音を発生させても、消音が可能となる。従って、干渉音源１１と騒音源２ａとの距離を、上記の或る程度の距離よりも短く設定する（リファレンスマイクの位置にある騒音が干渉音源に到達したときに、まだ、その騒音に基づく干渉音が発生していない距離、即ち、騒音に対して干渉音が遅れる状態に、リファレンスマイクと干渉音源とを設置する）ことが可能となり、能動消音の場合、広い範囲で消音が可能となる。しかし、騒音源２ａと干渉音源１１とを接近させるとしても限界があり、三次元空間において効率的に定常波騒音を消音することができない。
【００２０】
一方、能動消音には、マルチ能動消音がある。これによって、三次元空間での消音を実現しようとすると、エラーマイク、適応型デジタルフィルタ、干渉音源で１系統とすると、系統数を多くしなければならないが、系統間相互の伝達関数の計算量が多くなり、膨大な量の計算が必要となり、実現が不可能である。
【００２１】
そこで、この実施の形態では、干渉音源であるスピーカ８ａ乃至８ｄと騒音源２との距離を接近させた上で、或る程度の数の系統を持つマルチ能動消音を行うことで、効率的に定常波騒音を消音している。
【００２２】
図３（ａ）は、消音装置を作動させていない状態における騒音源２による騒音の音圧分布を示したもので、騒音源２を中心として６ｍ四方の範囲内において１ｍおきに縦横に合計４９箇所で音圧レベルを測定したものである。
【００２３】
同図（ｂ）は、建屋６側にあるスピーカ８ａと、マイクロホン１０ａと、これらに対応するデジタルフィルタとを作動させたときに、騒音源２を中心として６ｍ四方の範囲内において１ｍおきに縦横に合計４９箇所で音圧レベルを測定したものである。即ち、シングル能動消音を行った場合の音圧分布を示したものである。同図（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、音圧９０ｄＢ、８５ｄＢの領域は、狭まっているが、８０ｄＢの領域は、駆動されているスピーカ１０ａの付近では狭まっているが、他のスピーカ１０ｂ乃至１０ｃの方向にはかなりの幅を有している。従って、シングル能動消音では、広範囲の消音が行えない。
【００２４】
同図（ｃ）は、全てのスピーカ８ａ乃至８ｄと、マイクロホン１０ａ乃至１０ｄと、全てのデジタルフィルタとを作動させて、マルチ能動消音を実行したときの音圧分布を示したもので、測定点は同図（ａ）、（ｂ）と同一である。このとき、最高音圧は８９ｄＢで、８５ｄＢ、８０ｄＢ、７５ｄＢの音圧分布領域は、騒音源２の中心付近の極わかずかな領域だけであり、広範囲に消音が行われている。
【００２５】
図４（ａ）は、建屋６側にあるスピーカ８ａと、マイクロホン１０ａと、これらに対応するデジタルフィルタとを作動させたときの消音量の測定値を示したもので、スピーカ８ａとマイクロホン１０ａとの設置方向において１０ｄＢの消音が行われているが、スピーカ８ａとマイクロホン１０ａとに直交する方向では約５ｄＢの消音量しか得られず、スピーカ８ａとマイクロホン１０ａとの設置方向と反対側では殆ど大きな消音は得られていない。これからもシングル能動消音では、広範囲の消音が行われないことが明らかである。
【００２６】
図５（ｂ）は、全てのスピーカ８ａ乃至８ｄと、マイクロホン１０ａ乃至１０ｄと、全てのデジタルフィルタとを作動させて、マルチ能動消音を実行したときの消音量の測定値を示したもので、ほぼ全域において１５ｄＢの消音量が得られ、広範囲において消音が行われている。
【００２７】
このように、定常波騒音に対しても、騒音源２の周囲に接近してスピーカ８ａ乃至８ｄを配置し、マルチ能動消音を行うことによって広範囲にわたって良好に消音することができる。
【００２８】
第２の実施の形態の消音装置を図５に示す。この消音装置では、騒音源２ａとして、例えば特別高圧用の変圧器を使用している。この変圧器２ａは、約８ｍの間隔で立っている、それぞれ高さが約１０ｍの建屋４ａ、６ａの間に、その中央より幾分建屋４ａ側に偏った位置に設置されている。この変圧器２ａは、例えば高さ、幅、奥行きがそれぞれ２ｍのもので、様々な周波数の騒音を発生するが、そのうち電源周波数６０Ｈｚの第２高調波である低周波の定在波である１２０Ｈｚを主に消音しようとするものである。
【００２９】
変圧器２ａの建屋６ａ側に騒音検出手段、例えば振動ピックアップ１０が配置されている。これは、変圧器２ａの面に直接に取り付けられている。変圧器２ａは屋外に配置されており、騒音検出手段は風雨の影響を受けるが、振動ピックアップ１０を振動検出手段として使用しているので、周囲からの影響を最小限に抑えることが可能である。振動ピックアップは、変圧器２ａへの影響を考えて、溶接等によっては取り付けてなく、振動ピックアップ１０に磁石シートを接着し、この磁石シートによって変圧器２ａに取り付けてある。振動ピックアップ１０の取り付け位置には、比較的大きな振動面が選定されている。この振動ピックアップによってピックアップされた振動信号は、制御装置１２に供給される。
【００３０】
この振動ピックアップ１０よりも建屋６ａ方向に偏った位置に、変圧器２ａ側を向いて、複数、例えば４つの干渉音源、例えばスピーカ８ａ乃至８ｄが、建屋４ａ、６ａを結ぶ直線に交差するようにかつ、変圧器２ａを包むように円弧状に配置されている。これらスピーカ８ａ乃至８ｄには、制御装置１２からの消音信号が供給される。
【００３１】
制御装置１２は、各スピーカ８ａ乃至８ｄに対応して合計４つの適応型デジタルフィルタを備えている。これらデジタルフィルタの係数は、最も消音したい場所、例えば建屋６ａに接近した位置に、各スピーカ８ａ乃至８ｄに対応させて、干渉状態音検出手段、例えばエラーマイクロホン１４ａ乃至１４ｄが設けられている。これらエラーマイクロホン１４ａ乃至１４ｄは、これらが設置されている位置で実際にどのように騒音と干渉音とが干渉しているかを表すエラー信号を生成している。これらエラー信号が、制御装置１２に供給され、第１の実施の形態と同様にマルチ能動消音が行えるように、各デジタルフィルタの係数が更新されている。
【００３２】
また、スピーカ８ａ乃至８ｄは、変圧器２の近傍に、第１の実施の形態に関連して述べた条件を満たすように設けてあるので、マルチ能動消音とあいまって、広い範囲において消音することが可能である。また、スピーカ８ａ乃至８ｄによって消音するように構成してあるので、高圧が供給されており、なるべく人が接触しないことが望ましい変圧器２ａに対して、人が接触する必要が無く、安全性が高い。
【００３３】
上記の両実施の形態では、４台のスピーカを使用したが、これに限ったものではなく、これよりも少ない台数または多い台数のスピーカを使用することもできる。また、第２の実施の形態において、振動ピックアップに代えて、リファレンスマイクを騒音検出手段として使用することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、干渉音源と騒音源とを接近して配置し、かつマルチ能動消音を行っているので、広い範囲にわたって、消音することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の消音装置の平面図および側面図である。
【図２】騒音源と干渉音源との位置によって消音範囲が変化する状態の説明図である。
【図３】図１の消音装置における音圧分布図である。
【図４】図１の消音装置における消音量分布図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の消音装置の平面図である。
【符号の説明】
２　２ａ　騒音源
８ａ乃至８ｄ　スピーカ
１０　騒音ピックアップ
１２　制御装置（制御手段）
１４ａ乃至１４ｄ　エラーマイクロホン（干渉状態音検出手段）
【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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