(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低減対象音源から発せられ、ダクト内部を伝達し、ダクト開口部から外部に放射される低減対象音を低減する能動消音装置において、
上記低減対象音が平面波伝播するように上記ダクト開口部を複数の分割開口部に分割する分割手段と、
上記分割開口部近傍に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、上記分割開口部から所定の距離だけ離間し音圧を測定する制御用マイクと、
上記ダクト内部に配置され上記低減対象音又は上記低減対象音源からの振動を検知するセンサと、
上記センサからの信号に基づいて上記制御用マイクでの音圧を最小にするように上記付加音源で出力する音波の振幅と位相を制御する制御回路とを備え、
上記制御用マイクは、上記各分割開口部の個数をＮ個、上記付加音源の個数をＭ個、上記各分割開口部から上記制御用マイクまでの距離をｈｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、上記各付加音源から上記制御用マイクまでの距離をｈｓｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）とすると、
【数１】
0003842578.tif 000010
を満たす位置関係で配置されていることを特徴とする能動消音装置。
【請求項２】
上記分割手段は、上記ダクト開口部を矩形状に分割する複数の矩形ダクトであり、かつ、上記矩形の長辺が上記低減対象音の波長の１／２以下になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の能動消音装置。
【請求項３】
上記分割手段は、上記ダクト開口部を円形に分割する円形ダクトであり、かつ、上記円の内径が上記低減対象音の波長の３／５以下になるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の能動消音装置。
【請求項４】
上記付加音源と上記分割開口部との離間距離は、上記低減対象音の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の能動消音装置。
【請求項５】
上記付加音源は、スピーカと、このスピーカと上記分割開口部間に配置され上記スピーカからの音を伝達する伝達手段とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の能動消音装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機器から発生する騒音（低減対象音）を低減するための能動消音装置に関し、特に機器からの廃熱処理等に使用するダクトを介して騒音を外部に放射させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
機器から発生する熱と騒音をダクトを用いて外部に放射する装置が用いられている。このダクトから放射する騒音を低減する方法としては、能動的騒音低減手法と受動的騒音低減手法がある。中高周波音域については、主に吸音ダクトや干渉利用による消音器等の受動的騒音低減手法が用いられる。一方、低周波数音域については、ダクト内部を平面波で伝播する場合においていわゆる１次元能動消音方式が適用可能であり、空調騒音やエンジン排気騒音等の分野で既に実用化されている。
【０００３】
図６〜図８は、このような従来の能動的騒音低減手法を用いた能動消音装置の概略図である。なお、これらの図中Ｓは騒音源を示している。
【０００４】
図６の（ａ），（ｂ）に示す能動消音装置１０は、ダクト１１の騒音源Ｓ近傍の下流側に設けられた騒音あるいは振動を検知するセンサ１２と、ダクト開口部近くに設けられたスピーカ１３と、スピーカ１３の下流側に設けられた制御用マイク１４と、制御回路１５とを備えている。制御回路１５は、センサ１２の信号に基づき、ダクト１１を伝達する騒音に対してスピーカ１３から逆位相の補正音を発生させる機能を有しており、補正音の振幅は、制御用マイク１４で音圧が最小になるように制御される。
【０００５】
このような能動消音装置１０は、ダクト口径が騒音の波長の１／２以下である場合において、ダクト内部は平面波（ダクト口径方向はすべて同位相）となることからスピーカ１３及び制御用マイク１４は１組で適用可能である。これはダクトが騒音の遮断周波数に対応する波長の１／２以下の径を有している場合に、ダクト内部を騒音が平面波で伝播されるという性質に基づくものである。
【０００６】
これに対して、ダクト口径が低減対象音の波長の１／２以上の場合は図７の（ａ），（ｂ）に示す能動消音装置２０が用いられる。図７に示す能動消音装置２０は、ダクト２１の騒音源Ｓ近傍の下流側に設けられた騒音あるいは振動を検知するセンサ２２と、ダクト開口部近くに設けられたスピーカ２３ａ〜２３ｄと、これらスピーカ２３ａ〜２３ｄの下流側に設けられた制御用マイク２４ａ，２４ｂと、制御回路２５とを備えている。制御回路２５は、センサ２２の信号に基づき、ダクト２１を伝達する騒音に対してスピーカ２３ａ〜２３ｄから補正音を発生させる機能を有しており、補正音の位相・振幅は、制御用マイク２４ａ，２４ｂで音圧が最小になるように制御される。
【０００７】
このような能動消音装置２０は、ダクト口径方向において同位相でなくなり、モード放射音となる。この場合、内部には複数の制御用マイクマイク２４ａ，２４ｂ及びスピーカ２３ａ〜２３ｄを設置して、周波数毎に異なるモードに応じて特定のモードを検出し、低減させている。
【０００８】
図８に示す能動消音装置３０は、図６のものと同様に、ダクト口径が騒音の波長の１／２以下のものである。能動消音装置３０は、ダクト３１の騒音源Ｓ近傍の下流側に設けられた騒音あるいは振動を検知するセンサ３２と、ダクト開口部近くに設けられたスピーカ３３と、スピーカ３３の下流側に設けられた制御用マイク３４と、制御回路３５とを備えている。なお、図８中３１ａはダクト開口部を示している。制御回路３５は、センサ３２の信号に基づき、ダクト３１を伝達する騒音に対してスピーカ３３から逆位相の補正音を発生させる機能を有しており、補正音の振幅は、制御用マイク３４で音圧が最小になるように制御される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した能動的騒音低減手法を用いた能動消音装置にあっては、次のような問題があった。すなわち、能動消音装置１０，２０では、ダクト開口部放射音はダクト口径が騒音の遮断周波数以下であれば、波長の１／２以下（遮断周波数以下の音を対象）である場合は実用化されているが、それ以上となると、ダクト内部に複数の制御用マイクや複数のスピーカを設置し、複雑な制御構成が必要となるという問題があった。
【００１０】
また、能動消音装置３０では、ダクト口径が１／２以上の場合には、制御マイク３４の位置では音圧が低下しても、全体の開口部放射音響パワーが最小になっていない場合がある。このため、周囲全体の騒音を低減できないという虞があった。さらに、このような能動消音装置３０は、１つの開口部にしか適用できないという問題もあった。
【００１１】
例えば、図９に示すような能動消音装置４０について説明する。この能動消音装置４０は、３つのダクト４１〜４３を有し、これらにそれぞれ上述した能動消音装置３０と同様のシステムが組み込まれている。なお、図９中４１ａ〜４３ａは開口部、４１ｂ〜４３ｂは制御用マイク、４１ｃ〜４３ｃはスピーカを示している。
【００１２】
このような能動消音装置４０では、例えば制御用マイク４２ｂには開口部４２ａからの放射音の他に、隣接する開口部４１ａ，４３ａからの放射音も重畳されて入力されることになる。これらの干渉騒音分を考慮した制御アルゴリズムを用いるのは困難であり、同時に３つの制御用マイク４１ｂ〜４３ｂの音圧を低減できるとは限らない。
【００１３】
そこで本発明は、ダクトの径が低減対象音の平面波が発生する条件を満たしていない場合であっても簡単な制御構成で消音効果を得ることができる能動消音装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の能動消音装置は次のように構成されている。
【００１５】
（１）低減対象音源から発せられ、ダクト内部を伝達し、ダクト開口部から外部に放射される低減対象音を低減する能動消音装置において、上記低減対象音が平面波伝播するように上記ダクト開口部を複数の分割開口部に分割する分割手段と、上記分割開口部近傍に配置され所定の振幅と位相で音波を出力する付加音源と、上記分割開口部から所定の距離だけ離間し音圧を測定する制御用マイクと、上記ダクト内部に配置され上記低減対象音又は上記低減対象音源からの振動を検知するセンサと、上記センサからの信号に基づいて上記制御用マイクでの音圧を最小にするように上記付加音源で出力する音波の振幅と位相を制御する制御回路とを備え、上記制御用マイクは、上記各分割開口部の個数をＮ個、上記付加音源の個数をＭ個、上記各分割開口部から上記制御用マイクまでの距離をｈｐｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）、上記各付加音源から上記制御用マイクまでの距離をｈｓｉ（ｉ＝１，２，…，Ｍ）とすると、
【数２】
0003842578.tif 000002
を満たす位置関係で配置されていることを特徴とする。
【００１６】
（２）上記（１）に記載された能動消音装置であって、上記分割手段は、上記ダクト開口部を矩形状に分割する複数の矩形ダクトであり、かつ、上記矩形の長辺が上記低減対象音の波長の１／２以下になるように形成されていることを特徴とする。
【００１７】
（３）上記（１）に記載された能動消音装置であって、上記分割手段は、上記ダクト開口部を円形に分割する円形ダクトであり、かつ、上記円の内径が上記低減対象音の波長の３／５以下になるように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
（４）上記（１）〜（３）に記載された能動消音装置であって、上記付加音源と上記分割開口部との離間距離は、上記低減対象音の波長の１／４以下であることを特徴とする。
【００１９】
（５）上記（１）〜（４）に記載された能動消音装置であって、上記付加音源は、スピーカと、このスピーカと上記分割開口部間に配置され上記スピーカからの音を伝達する伝達手段とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る能動消音装置５０の構成を示す模式図である。能動消音装置５０は、ダクト５１の騒音源Ｓ近傍に設けられた騒音あるいは振動を検知するセンサ５２と、ダクト開口部近くに設けられた付加音源５３ａ〜５３ｆと、付加音源５３ａ〜５３ｆの下流側に設けられた制御用マイク５４と、制御回路５５とを備えている。制御回路５５は、センサ５２の信号に基づき、後述する矩形ダクト６１ａ〜６１ｆを伝達する騒音に対してスピーカ等の付加音源５３ａ〜５３ｆから補正音を発生させる機能を有しており、補正音の位相・振幅は、制御用マイク５４で音圧が最小になるように制御される。
【００２３】
一方、ダクト５１内部は、図１の（ｂ）に示すように、仕切板６０により６つの矩形ダクト６１ａ〜６１ｆが形成されている。これら矩形ダクト６１ａ〜６１ｆの長辺Ｌは低減対象音の波長の１／２以下となるように設定されている。また、各矩形ダクト６１ａ〜６１ｆの矢印Ｚ方向の長さは、長辺Ｌの０．９倍以上に設定されている。
【００２４】
このように構成された能動消音装置５０では、次のようにして騒音を消音する。すなわち、騒音源Ｓで発生した騒音は分割されて矩形ダクト６１ａ〜６１ｆに入る。このとき、矩形ダクト６１ａ〜６１ｆの長辺Ｌは低減対象音の波長の１／２以下であるため、騒音は内部を平面波として伝播され、開口部まで達する。騒音は各矩形ダクト６１ａ〜６１ｆの開口部から放射される際に、音響的には各矩形ダクト６１ａ〜６１ｆの開口部の各中心に点音源が存在することと等価となる。
【００２５】
なお、騒音Ｓの遮断周波数ｆ０（Ｈｚ）は、次のように示すことができる。すなわち、
ｆ０＝０．５Ｃ／Ｌ…（１）
但し、Ｃは音速（ｍ／ｓ）、Ｌは矩形の長辺（ｍ）である。
【００２６】
したがって、制御回路５５においては、制御用マイク５４での音圧が最小になるように、各付加音源５３ａ〜５３ｆから出力する補正音の位相・振幅を決定する。
【００２７】
上述したように本実施の形態に係る能動消音装置５０によれば、矩形ダクト６１ａ〜６１ｆ内部を騒音が平面波で伝播することになり、付加音源５３ａ〜５３ｆの制御回路５５による制御が簡素化され、容易に騒音の音圧レベルを低減することが可能となる。
【００２８】
図１の（ｃ）は能動消音装置５０の変形例に係る仕切板６２の構成を示す図である。この仕切板６２は、円形ダクト６３ａ〜６３ｈが形成されている。これら円形ダクト６３ａ〜６３ｈについては、その内径が低減対象音の波長の３／５以下となるように設定されている。また、各円形ダクト６３ａ〜６３ｈの矢印Ｚ方向の長さは、内径Ｌの０．９倍以上に設定されている。
【００２９】
この場合でも同様に、円形ダクト６３ａ〜６３ｈの出口から放射される際に、音響的には各円形ダクト６３ａ〜６３ｆの出口の各中心に点音源が存在することと等価となる。
【００３０】
なお、騒音Ｓの遮断周波数ｆ０（Ｈｚ）は、次のように示すことができる。すなわち、
ｆ０＝０．６Ｃ／Ｌ…（２）
但し、Ｃは音速（ｍ／ｓ）、Ｌは円形の口径（ｍ）である。
【００３１】
したがって、制御回路５５において、制御用マイク５４での音圧が最小になるように、各付加音源５３ａ〜５３ｆから出力する補正音の位相・振幅を決定する。
【００３２】
図２は上述した第１の実施の形態に係る能動消音装置５０の第１の変形例を示す模式図である。なお、図２において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
本変形例では、付加音源５３ａ〜５３ｆを各開口部７０〜７５の音圧中心７０ａ〜７５ａから、低減対象とする騒音の波長の１／４程度あるいはそれ以下に設置するようにしている。これにより、ダクト開口部からの音響放射パワーを最小にし、空間全体を低減させることが可能である。
【００３４】
これを実現することで、音響パワーは最悪でも増加することがなくなる。付加音源５３ａ〜５３ｆは各開口部７０ａ〜７０ｆの音圧中心７１ａ〜７１ｆにより近づけることで消音効果を向上させることができる。開口部の個数をＮ個とすると、全音響パワーＷは式（４）で表せる。
【００３５】
【数３】
0003842578.tif 000003
但し、ωは角周波数、ρは密度、Ｃは音速、ｋは波数、ｆは周波数である。また、ｐｉはｉ番目の開口部放射音の音の強さ（体積速度）、ｑｓｉはｉ番目の付加音源の音の強さ（体積速度）、ｒｐｉｐｊはｉ番目とｊ番目の開口部音圧中心間の距離、ｄｐｉｓｊはｉ番目の開口部音圧中心とｊ番目の付加音源間の距離、ｌｐｉｓｊはｉ番目とｊ番目の付加音源間の距離を示している。
【００３６】
ここで、各開口部放射音の振幅、位相がほぼ同じであり、また、複数の制御用付加音源が同じ特性である場合について検討する。すなわち、
【数４】
0003842578.tif 000004
とおく。
【００３７】
このとき、音響パワーを最小とする最適振幅、位相は以下のようにして求められる。
【００３８】
【数５】
0003842578.tif 000005
【００３９】
これを式（４）に代入すると、音響パワー最小値が求まる。このことから、概ね複数の付加音源を開口部から低減対象とする騒音の波長の１／４程度あるいはそれ以下に設置できれば、音響パワーはゼロ以下、つまり、低減させることができる。
【００４０】
図３は上述した第１の実施の形態に係る能動消音装置５０の第２の変形例を示す模式図である。なお、図３において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
付加音源７６は、スピーカ７６ａに伝達ダクト（伝達手段）７６ｂを設け、その先端７６ｃを各開口部７０〜７５の音圧中心７０ａ〜７５ａにより近づけて補正音を放射するようにしている。
【００４２】
伝達ダクト７６ｂによりスピーカ７６ａ自体をダクトの各開口部７０〜７５に対して配置の自由度を増すことができる。すなわち、ダクト７０〜７５は騒音の他に排気熱を外部に放出する機能を有しているため、スピーカに悪影響を与える虞がある。ダクト７６ｂの長さを調整することで、先端７６ｃのみを各開口部７０〜７５の音圧中心７０ａ〜７５ａにより近づけ、かつ、スピーカ７６ａ自体をダクトの各開口部７０〜７５から遠ざけることで、式（４）を満足するような位置で補正音を放射できるとともに、スピーカ７６ａの耐久性を向上させることができる。
【００４３】
図４は上述した第１の実施の形態に係る能動消音装置５０の第３の変形例を示す模式図である。なお、図４において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４において８０はダクト、８１ａ〜８１ｎは分割ダクト、８２ａ〜８２ｍは付加音源、８３は制御用マイクを示している。ここで、各開口部の個数をＮ個、付加音源の個数をＭ個、分割ダクト８１ａ〜８１ｎの各開口部から制御用マイク８３までの距離をｈｐｉ（ｉ＝１，２、…Ｎ）、付加音源８２ａ〜８２ｍから制御用マイク８３までの距離をｈｓｉ（ｉ＝１，２、…Ｍ）とすると、
【数６】
0003842578.tif 000006
【００４５】
を満たす位置関係で配置されていることを特徴としている。
【００４６】
上記式（１５）を導出するまでの過程は以下のとおりである。制御マイク８３での音圧はＰｍｉｃとすると、分割ダクト８１ａ〜８１ｎの開口部中心から制御マイク８３までの伝達関数及び各付加音源８２ａ〜８２ｍから制御マイク８３までの伝達関数をｚとし、音の強さをｑとすると、Ｐｍｉｃは式（１６）のようになり、制御でこの音圧をゼロにすることで、付加音源８２ａ〜８２ｍからの補正音の強さは開口部の音の強さから式（１７）に決定される。
【００４７】
【数７】
0003842578.tif 000007
【００４８】
ここで、分割ダクト８１ａ〜８１ｎの開口部中心から制御用マイク８３まで、付加音源８２ａ〜８２ｍから制御用マイク８３間の空間伝播の項は式（１８）となる。ここでｊは虚数、ｈは各開口部から制御用マイクまで、各付加音源から制御用マイク間距離を表す。ｋ、Ｚ０は式（４）と同様である。
【００４９】
【数８】
0003842578.tif 000008
【００５０】
ここで、低減対象の周波数は２００Ｈｚ以下の低周波数であることから、式（１８）は式（１９）と概算できる。ここで、この低周波領域では音響パワーは概ね開口部からの総合吹き出し体積速度と、付加音源の総合吸い込み体積速度が一致したときに低下することから、厳密ではないが、以下の式（１９）からも音響パワー低下量を概算できる。
【００５１】
【数９】
0003842578.tif 000009
但し、Ｎ／Ｍは絶対振幅比、位相比は逆位相とする。
【００５２】
したがって、式（１８）に式（１９）が一致したときに、パワーは低下することから、式（１５）を満たす位置に制御マイク８３を設置することが消音効果を上げるための目安となる。
【００５３】
したがって、本変形例においては、開口部の音響放射パワーを全て考慮し、１本の制御マイク８３で同時にこれらからの騒音を検知しながら、最適配置により、全音響パワーを最小にすることができる。このため、周囲全体の騒音の低減が実現する。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係る能動消音装置９０を示す図である。図５において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。能動消音装置９０は、ダクト５１の騒音源Ｓ近傍に設けられた騒音あるいは振動を検知するセンサ５２と、ダクト開口部近くに設けられた付加音源５３ａ〜５３ｆと、付加音源５３ａ〜５３ｆの下流側に設けられた制御用マイク５４と、制御回路５５とを備えている。制御回路５５は、センサ５２の信号に基づき、後述する矩形ダクト９１ａ〜９１ｆを伝達する騒音に対してスピーカ等の付加音源５３ａ〜５３ｆから補正音を発生させる機能を有しており、補正音の位相・振幅は、制御用マイク５４で音圧が最小になるように制御される。
【００５５】
一方、ダクト５１には、図５の（ｂ）に示すように、６つの矩形ダクト９１ａ〜９１ｆが連通して配置されている。これら矩形ダクト９１ａ〜９１ｆの長辺Ｌは低減対象音の波長の１／２以下となるように設定されている。また、各矩形ダクト９１ａ〜９１ｆの矢印Ｚ方向の長さは、長辺Ｌの０．９倍以上に設定されている。
【００５６】
このように構成された能動消音装置９０においても上述した能動消音装置５０と同様にして騒音を消音する。すなわち、本実施の形態に係る能動消音装置９０においても、矩形ダクト９１ａ〜９１ｆ内部を騒音が平面波で伝播することになり、付加音源５３ａ〜５３ｆの制御回路５５による制御が簡素化され、容易に騒音の音圧レベルを低減することが可能となる。
【００５７】
図５の（ｃ）は能動消音装置９０の変形例に係る円形ダクト９３ａ〜９３ｈが形成されている。これら円形ダクト９３ａ〜９３ｈについては、その内径が低減対象音の波長の３／５以下となるように設定されている。また、各円形ダクト９３ａ〜９３ｈの矢印Ｚ方向の長さは、内径Ｌの０．９倍以上に設定されている。
【００５８】
この場合でも同様に容易に騒音の音圧レベルを低減することが可能となる。
【００５９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、ダクトの径が低減対象音の平面波が発生する条件を満たしていない場合であっても簡単な制御構成で消音効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る能動消音装置を模式的に示す説明図。
【図２】同能動消音装置の第１の変形例の要部を示す説明図。
【図３】同能動消音装置の第２の変形例の要部を示す説明図。
【図４】同能動消音装置の第３の変形例の要部を示す説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る能動消音装置を模式的に示す説明図。
【図６】従来の能動消音装置の一例を示す縦断面図。
【図７】従来の能動消音装置の別の例を示す縦断面図。
【図８】従来の能動消音装置のさらに別の例を示す縦断面図。
【図９】従来の能動消音装置の問題点を示す説明図。
【符号の説明】
５０，９０…能動消音装置
５１…ダクト
５２…センサ
５３ａ〜５３ｆ…付加音源
５４…制御用マイク
５５…制御回路
６０…仕切板
６１ａ〜６１ｆ，９１ａ〜９１ｆ…矩形ダクト
６３ａ〜６３ｈ，９３ａ〜９３ｈ…円形ダクト
【図１】
0003842578.tif 000011
【図２】
0003842578.tif 000012
【図３】
0003842578.tif 000013
【図４】
0003842578.tif 000014
【図５】
0003842578.tif 000015
【図６】
0003842578.tif 000016
【図７】
0003842578.tif 000017
【図８】
0003842578.tif 000018
【図９】
0003842578.tif 000019