(57)【要約】【課題】騒音をアクティブ制御を利用して打ち消す場合に、システム上における誤差要因や騒音の指向性等に影響されることなく、その騒音について十分な消音効果を得られうようにする。【解決手段】騒音源１からの騒音を消音するための消音装置を、騒音源１からの騒音と逆位相の音を生成する制御音生成手段１６と、その制御音生成手段１６が生成した音を出力するスピーカ１７とを備えて構成する。そして、スピーカ１７を騒音源１における騒音発生位置に配設することで、騒音源１とスピーカ１７との間に距離が存在しないようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
騒音源からの騒音を消音するための消音装置であって、
前記騒音源からの騒音と逆位相の音を生成する制御音生成手段と、
前記制御音生成手段が生成した音を出力するスピーカとを備えるとともに、
前記スピーカは、前記騒音源における騒音発生位置に配設されている
ことを特徴とする消音装置。
【請求項２】
前記騒音源からの騒音が当該騒音源の動作により発生する場合に、当該騒音源の動作の状態を監視する動作監視手段と、
前記騒音源の動作の状態と当該動作により発生する騒音との対応関係を予め記憶している記憶手段と、
前記記憶手段記憶する対応関係に基づき前記動作監視手段による監視結果に応じた音生成を前記制御音生成手段に行わせる初期音決定手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の消音装置。
【請求項３】
前記騒音源からの騒音と前記スピーカが出力する音との両方を合わせて検出する誤差検出マイクと、
前記誤差検出マイクによる検出結果に基づいて前記制御音生成手段が生成する音を可変させる制御音調整手段と
を備えることを特徴とする請求項２記載の消音装置。
【請求項４】
前記制御音調整手段は、前記誤差検出マイクでの検出結果より特定される前記騒音源からの騒音と前記スピーカが出力する音との位相差を基に、前記制御音生成手段が音を生成する際に用いるフィルタ係数を可変させる
ことを特徴とする請求項３記載の消音装置。
【請求項５】
前記制御音調整手段は、前記誤差検出マイクでの検出結果より特定される前記騒音源からの騒音と前記スピーカが出力する音との音圧差を基に、前記制御音生成手段が音を生成する際に用いる正弦波の振幅を可変させる
ことを特徴とする請求項３記載の消音装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばファン音やダクト音といった騒音源からの騒音に対し、これを別の音を用いて消音する、いわゆる騒音のアクティブ制御を行う消音装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、消音を行うための手法としては、大別すると、吸音材や遮音材等を用いたパッシブ方式によるものと、消すべき音とは別の音（逆位相の音）を作り、その音波干渉によって消音を行うアクティブ方式によるものが知られている。このうち、アクティブ方式による消音は、パッシブ方式のような高音域のみならず、低音域についても効果的であるという利点がある。
【０００３】
このようなアクティブ方式による消音を行う消音装置としては、ダクト音を消音するための消音装置を例に挙げると、例えば図５に示すように、ダクト２１内におけるファン等の騒音源２２の近傍に配設された騒音検出用マイクロホン２３と、そこから所定距離離れて配設された誤差検出用マイクロホン２４と、これらの間に配設されたスピーカ２５とを備えたものがある。そして、騒音源２２から伝搬する音を騒音検出用マイクロホン２３で検出すると、騒音検出用マイクロホン２３からスピーカ２５までの伝達関数を適応フィルタ２６によって同定して、騒音検出用マイクロホン２３で検出した音を打ち消すための制御音をスピーカ２５から出力することで、ダクト２１内の消音を行うようになっている。さらには、その消音効果を評価する誤差検出用マイクロホン２４からの入力信号に基づいて、適応フィルタ２６におけるフィルタ係数を適応アルゴリズム２７を用いて更新し、スピーカ２５から出力される制御音を調整することで、ダクト２１内の消音効果を確実なものとするようになっている。なお、適応アルゴリズム２７としては、ＬＭＳ（The least-mean-square）アルゴリズムを用いることが知られている。また、スピーカ２５から誤差検出用マイクロホン２４までの伝達関数については、固定フィルタ２８に事前に同定されているものとする。
【０００４】
ところで、上述した構成の消音装置では、騒音検出用マイクロホン２３と誤差検出用マイクロホン２４とが電気−音響系で閉ループを形成するため、適応フィルタ２６によるアクティブ制御を行う際の動作が不安定となりやすく、場合によってはハウリングを起こして騒音が増大してしまうおそれがある。このことから、消音装置の中には、騒音源であるファンの回転数と羽根枚数の乗算値からダクト内における騒音の周波数を求めたり（例えば、特許文献１参照）、そのようにして求めた周波数に対してバンドパスフィルタ等で周波数帯を分離することで（例えば、特許文献２参照）、騒音検出用マイクロホンの配設を要することなく、スピーカから制御音出力、すなわちアクティブ方式によるダクト内の騒音に対する消音を行い得るようにしたものがある。
【０００５】
【特許文献１】特許第２８０９１３５号公報
【特許文献２】特許第２９３９９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の消音装置は、いずれのものも、騒音を打ち消すための制御音を出力するスピーカが騒音源から離れて配設されているため、必ずしも十分な消音効果が得られるとは限らない。すなわち、騒音源と制御音の発生源との間に距離があると、伝達関数の同定誤差による影響や、温度・湿度といった環境的変動要因等による影響を受け易く、その影響によって騒音源と制御音との間に位相のずれが生じ、その結果十分な消音効果が得られないことも考えられる。また、騒音源と制御音の発生源との間に距離があるということは、その距離自体にもばらつきが生じてしまうことになる。そのため、例えば消音装置によるアクティブ制御を利用した同様のシステムを複数構築する場合には、距離のばらつきを吸収するだけの汎用性を消音装置に持たせることが困難なことから、システムによっては十分な消音効果が得られないこともあり得る。さらに、騒音源と制御音の発生源との間に距離があると、ダクト内のように音が一方向に伝搬する場合であればよいが、例えば騒音源からの騒音が二次元方向または三次元方向に広がる場合には、その方向によっては制御音による消音効果が全く得られないおそれもある。
【０００７】
そこで、本発明は、騒音をアクティブ制御を利用して打ち消す場合に、システム上における誤差要因や騒音の指向性等に影響されることなく、その騒音について十分な消音効果を得ることのできる消音装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために案出された消音装置である。すなわち、騒音源からの騒音を消音するための消音装置であって、前記騒音源からの騒音と逆位相の音を生成する制御音生成手段と、前記制御音生成手段が生成した音を出力するスピーカとを備える。そして、前記スピーカは、前記騒音源における騒音発生位置に配設されていることを特徴とするものである。
【０００９】
上記構成の消音装置によれば、騒音源における騒音発生位置にスピーカが配設されている。ここで、騒音発生位置とは、騒音が発生する原因となる部品や部材その他騒音源の構成要素が配された位置またはその近傍をいう。そのため、スピーカと騒音源との間には距離が存在せず、スピーカから出力される音と騒音源からの騒音とで位相差が生じてしまうこともない。したがって、騒音源からの騒音と逆位相の音をスピーカから出力すれば、その騒音は、例えば環境的な誤差要因や音の指向性等の影響に依らずに、消音されることになる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る消音装置によれば、騒音をアクティブ制御を利用して打ち消す場合であっても、その騒音源における騒音発生位置にスピーカが配設されているため、騒音源からの騒音と逆位相の音をスピーカから出力することで、例えば環境的な誤差要因や音の指向性等の影響に依らずに、その騒音について十分な消音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】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明に係る消音装置について説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る消音装置の一構成例を示す説明図である。図例のように、ここで説明する消音装置は、ダクト（ただし不図示）内に設けられたファン１が動作することによって生じるファン音およびそのファン音に共鳴して生じるダクト音（以下、これらを「騒音」と総称する）を消音するためのものである。このような騒音に対する消音を行うために、図例の消音装置は、回転数監視部１１と、周波数記憶部１２と、正弦波発生部１３と、初期値記憶部１４と、初期値選択部１５と、制御音生成部１６と、スピーカ１７と、マイクロホン１８と、制御音調整部１９と、を備えている。
【００１３】
回転数監視部１１は、ダクト内に騒音を発生させるファン１の動作の状態を監視するものである。詳しくは、電源２からファン１の駆動モータに入力される電圧を監視し、その監視結果からファン１の駆動モータの回転数を求め、その回転数についての情報（以下「回転数情報」という）を正弦波発生部１３および初期値選択部１５へ通知するものである。つまり、回転数監視部１１は、本発明における動作監視手段として機能するものである。
【００１４】
周波数記憶部１２は、ファン１の駆動モータの回転数とそのファン１の回転により発生する騒音の周波数との対応関係を予め記憶しているものである。正弦波発生部１３は、回転数監視部１１による監視結果、すなわちファン１の駆動モータの回転数に応じて、周波数記憶部１２が記憶する中から周波数を選択し、その周波数の正弦波を発生させるものである。なお、正弦波発生部１３は、後述する制御音調整部１９からの指示に従って、発生させる正弦波の振幅を調整させ得るようになっている。
また、初期値記憶部１４は、ファン１の駆動モータの回転数とそのファン１の回転により発生する騒音を打ち消すためのフィルタ係数との対応関係を予め記憶しているものである。初期値選択部１５は、回転数監視部１１による監視結果、すなわちファン１の駆動モータの回転数に応じて、初期値記憶部１４が記憶する中からフィルタ係数を選択し、その選択したフィルタ係数を制御音生成部１６にロードするものである。
つまり、周波数記憶部１２および初期値記憶部１４は、本発明における記憶手段として機能するものであり、正弦波発生部１３および初期値選択部１５は、本発明における初期音決定手段として機能するものである。
【００１５】
制御音生成部１６は、初期値選択部１５で選択されたフィルタ係数、または後述する制御音調整部１９により更新されたフィルタ係数により、正弦波発生部１３で生成された正弦波を変換することで、ファン１の回転により発生する騒音と逆位相の音（以下、この音を「制御音」という）を生成するものである。つまり、制御音生成部１６は、本発明における制御音生成手段として機能するものである。
【００１６】
スピーカ１７は、制御音生成部１６が生成した制御音を出力するものである。ただし、スピーカ１７は、騒音源における騒音発生位置に配設されている。騒音発生位置とは、騒音が発生する原因となる構成要素であるファン１が配された位置またはその近傍をいい、具体的には図例のようなファン１の回転中心部分（ファン１の羽根の中央部分）が挙げられる。
【００１７】
マイクロホン１８は、騒音源であるファン１および騒音発生位置に配設されたスピーカ１７から、そのファン１による騒音の伝搬方向に向けて所定距離の位置に配設されているもので、ファン１による騒音とスピーカ１７が出力する制御音との両方を合わせて検出するものである。つまり、マイクロホン１８は、制御音による騒音の打ち消し誤差を検出するためのものであり、本発明における誤差検出マイクとして機能するものである。
【００１８】
制御音調整部１９は、マイクロホン１８で検出された打ち消し誤差を基に、制御音生成部１６が生成する制御音を可変させるものである。つまり、制御音調整部１９は、本発明における制御音調整手段として機能するものである。
【００１９】
ここで、この制御音調整部１９についてさらに詳しく説明する。図２は、制御音調整部の一構成例を示す説明図である。図例のように、ここで説明する制御音調整部１９は、フィルタ係数更新部１９ａと、正弦波調整部１９ｂと、を有してなる。
【００２０】
フィルタ係数更新部１９ａは、マイクロホン１８で検出された打ち消し誤差から特定されるファン１による騒音とスピーカ１７が出力する制御音との位相差を基に、制御音生成部１６が制御音を生成する際に用いる適応フィルタ１６ａのフィルタ係数を更新するものである。
【００２１】
正弦波調整部１９ｂは、マイクロホン１８で検出された打ち消し誤差から特定されるファン１による騒音とスピーカ１７が出力する制御音との音圧差を基に、制御音生成部１６が制御音を生成する際に用いる正弦波、すなわち正弦波発生部１３が生成する正弦波の周波数および振幅を可変させるものである。
【００２２】
なお、ここで説明した消音装置における各構成要素のうち、スピーカ１７およびマイクロホン１８以外の各部１１〜１６，１９は、電気的な回路からなるハードウエア構成によって実現することが考えられるが、例えば所定プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）を利用してソフトウエア構成によって実現したものであっても構わない。
【００２３】
次に、以上のように構成された消音装置における処理動作例について説明する。消音装置では、電源２からファン１の駆動モータに電圧が供給され、その駆動モータがファン１の回転を開始すると、回転数監視部１１が駆動モータに入力される電圧からファン１の回転数を求める。そして、その回転数情報を正弦波発生部１３および初期値選択部１５へ通知する。つまり、回転数監視部１１は、電源投入によるファン１の動作開始時、またはその後ファン１の回転数が大きく変化したときに、そのファン１についての回転数情報を正弦波発生部１３および初期値選択部１５へ通知する。
【００２４】
この回転数情報を受けて、正弦波発生部１３は、その回転数情報に対応する正弦波を発生させ、また初期値選択部１５は、その回転数情報に対応するフィルタ係数を選択して制御音生成部１６にロードする。そして、制御音生成部１６は、初期値選択部１５で選択されたフィルタ係数により、正弦波発生部１３で生成された正弦波を変換することで、ファン１の回転により発生する騒音と逆位相の制御音を生成し、その制御音をスピーカ１７から出力する。これにより、ファン１の回転によってそのファン１からは騒音が発生するが、それに合わせてスピーカ１７からその騒音と逆位相の制御音が出力されるので、ファン１からの騒音は、スピーカ１７からの制御音によって打ち消されることになる。
【００２５】
このとき、制御音を出力するスピーカ１７は、騒音発生位置、すなわち騒音源と同じ位置に配設されている。そのため、ファン１とスピーカ１７との間には距離が存在せず、ファン１からの騒音とスピーカ１７から出力される制御音とで位相差が生じてしまうことがないので、単に騒騒音と逆位相の音をスピーカ１７から出力するだけで、その騒音に対する消音を行い得るようになる。しかも、ファン１とスピーカ１７との間に距離が存在しないことから、従来方式のように騒音源22とスピーカ25との間の複雑な伝達関数を同定する必要がなく、伝達関数の同定誤差による影響や、温度・湿度といった環境的変動要因等による影響によって、騒音と制御音との間に位相のずれが生じてしまうこともないので、少ないタップ数のフィルタでよく、少ない演算量でも高い消音効果が得られるようになる。このことは、騒音と制御音とが逆位相になるように、仮想的にスピーカ１７をファン１の後ろにずらせる伝達関数を同定したフィルタ係数を初期値記憶部１４が記憶している場合も同様であり、その場合であっても仮想的にスピーカ１７の位置をずらす伝達関数を同定するだけなので、フィルタのタップ数が少なくできて演算量が少なくて済む。
【００２６】
これらのことから、騒音発生位置に配設されたスピーカ１７から制御音を出力する場合には、システム上における誤差要因（環境的変動要因）や、システムを複数構築する場合における汎用性等の影響を受けることなく、また処理演算量の複雑化を招くこともなく、騒音についての十分な消音効果が得られるようになるといえる。
【００２７】
また、このとき、スピーカ１７から出力される制御音は、回転数監視部１１による監視結果、すなわちファン１の回転数を基にして、制御音生成部１６が生成するようになっている。したがって、スピーカ１７から制御音を出力して騒音に対する消音を行う場合であっても、従来存在していたような騒音検出用マイクロホン２３（図５参照）を設ける必要がない。つまり、騒音検出用マイクロホン２３が不要なことから、誤差検出のためにマイクロホン１８を設けても、フィードバック音によるハウリングを起こしてしまうことがなく、結果として安定した消音効果が得られるようになる。その上、ファン１の回転数を基にして、初期値記憶部１４からフィルタの初期値をロードすることにより、ファン１の動作開始直後から高い消音効果が得られるようになる。
【００２８】
ところで、スピーカ１７から制御音を出力すると、その制御音およびファン１による騒音は、それぞれが共にマイクロホン１８によって制御音による騒音の打ち消し誤差として検出される。制御音によっても騒音が完全に打ち消されていない場合、すなわち打ち消し誤差が検出された場合には、そのマイクロホン１８での検出結果を基に、制御音調整部１９が制御音生成部１６で生成される制御音を可変させ、これにより打ち消し誤差が解消するように、すなわち制御音によって騒音が完全に打ち消されるようにする。
【００２９】
図３は、制御音調整部１９による制御音可変処理の概要を示す説明図である。例えば、図３（ａ）に示すような周波数−音圧特性の騒音に対して、スピーカ１７から制御音を出力した結果、マイクロホン１８で図３（ｂ）に示すような周波数−音圧特性の打ち消し誤差が検出された場合を考える。この場合において、制御音調整部１９では、打ち消し誤差として検出された各ピーク周波数について、図３（ｃ）に示すように、騒音と制御音との間の位相と音圧の差を求める。これらの差は、例えば、マイクロホン１８で検出された音を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform；以下「ＦＦＴ」と略す）し、その結果を正弦波発生部１３が生成する正弦波の周波数と比較し、その正弦波の周波数以外のピークの周波数を検出することで得ればよい。
【００３０】
そして、騒音と制御音との間の位相差および音圧差を求めると、制御音調整部１９では、フィルタ係数更新部１９ａが、制御音生成部１６における適応フィルタ１６ａのフィルタ係数を、例えばＬＭＳアルゴリズムを用いて更新し、これにより図３（ｄ）に示すように騒音と制御音との間の位相差が無くなるようにする。なお、ＬＭＳアルゴリズム自体については、従来と略同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００３１】
また、騒音と制御音との間の位相差および音圧差を求めると、制御音調整部１９では、正弦波調整部１９ｂが、正弦波発生部１３が生成する正弦波の振幅を調整し、これにより図３（ｄ）に示すように騒音と制御音との間の音圧差が無くなるようにする。なお、正弦波の振幅調整についても、公知技術を利用して行えばよいため、ここではその説明を省略する。
【００３２】
このようなマイクロホン１８および制御音調整部１９を用いた制御音可変処理を経ることで、ファン１による騒音は、スピーカ１７から出力される制御音によって、打ち消し誤差が生じることなく、完全に打ち消されることになる。したがって、騒音発生位置に配設されたスピーカ１７に加えて、マイクロホン１８および制御音調整部１９を設ければ、その消音装置では、騒音に対する消音効果がより一層高いものとなるといえる。
【００３３】
なお、上述した実施の形態では、ダクト内に設けられたファン１によって生じる騒音に対して消音を行う消音装置を例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の騒音に対する消音を行うものであっても同様に適用することが可能である。ここで、本発明に係る消音装置の他の実施の形態を説明する。
【００３４】
図４は、本発明に係る消音装置の他の構成例を示す説明図である。図４（ａ）に示すように、ここで説明する消音装置も、上述した実施の形態における場合と同様に、騒音源１における騒音発生位置に、その騒音源１からの騒音を打ち消すための制御音を出力するスピーカ１７が配設されている。したがって、その騒音源１からの騒音とスピーカ１７から出力される制御音とで位相差が生じてしまうことがないので、伝達関数の同定誤差による影響や、温度・湿度といった環境的変動要因等による影響を受けることなく、その騒音に対する消音を行い得るようになる。しかも、スピーカ１７が騒音源１と同じ位置に配設されているため、上述した実施の形態における場合のようにダクト内の一方向のみに伝搬する騒音だけではなく、二次元方向または三次元方向に広がる騒音に対しても消音効果が得られるようになる。
【００３５】
このことから、ここで説明する消音装置では、騒音源１およびスピーカ１７の周囲を囲むように、複数のマイクロホン１８が設けられている。そして、図４（ｂ）に示すように、各マイクロホン１８のそれぞれで打ち消し誤差を検出すると（ステップ１０１、以下ステップを「Ｓ」と略す）、制御音調整部１９が、それぞれの打ち消し誤差の和を算出して（Ｓ１０２）、その和をＦＦＴ（Ｓ１０３）し、その結果から所定閾値を超えたピークの周波数を検出して制御帯域を特定する（Ｓ１０４）。その後、制御音調整部１９では、特定した制御帯域について、上述した実施の形態における場合と同様の制御音可変処理を行って（Ｓ１０５）、騒音源１からの騒音に対する消音効果をより一層高いものとする。
【００３６】
このような構成の消音装置によれば、制御音を出力するスピーカ１７を騒音発生位置に配設することによる消音効果、およびマイクロホン１８を用いた制御音可変処理による消音効果が、二次元方向または三次元方向に広がる騒音に対しても及ぶ。つまり、二次元方向または三次元方向に広がる騒音に対しても、十分な消音効果が得られるようになる。しかも、騒音が二次元方向または三次元方向に広がる場合であっても、各マイクロホン１８で検出した打ち消し誤差のうち、相関の高い周波数帯のみを制御対象とするため、安定して制御が行えるようになる。
【００３７】
このように、二次元方向または三次元方向に広がる騒音に対応可能な消音装置は、例えば、オフィス内やホール内等においてＯＡ機器や空調機器等による騒音に対して消音を行うものや、工場内において各種設備（工作機械等）による騒音に対して消音を行うものに適用することが考えられる。また、その他にも本発明に係る消音装置を用いることで、静寂な環境を実現し得るようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る消音装置の一構成例を示す説明図である。
【図２】図１の消音装置における制御音調整部の一構成例を示す説明図である。
【図３】図２の制御音調整部による制御音可変処理の概要を示す説明図であり、（ａ）は騒音の周波数−音圧特性の一例を示す図、（ｂ）は打ち消し誤差の検出結果についての周波数−音圧特性の一例を示す図、（ｃ）は騒音と制御音との間の位相と音圧の差の一例を示す図、（ｄ）は制御音可変処理後における騒音と制御音との間の位相と音圧の差の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る消音装置の他の構成例を示す説明図であり、（ａ）はその消音装置の概要を模式的に示す図、（ｂ）はその消音装置における処理動作の流れの一例を示す図である。
【図５】従来における消音装置の一構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…ファン、１１…回転数監視部、１２…周波数記憶部、１３…正弦波発生部、１４…初期値記憶部、１５…初期値選択部、１６…制御音生成部、１６ａ…適応フィルタ、１７…スピーカ、１８…マイクロホン、１９…制御音調整部、１９ａ…フィルタ係数更新部、１９ｂ…正弦波調整部
【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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