アクティブノイズコントロールの紹介
The]ntroductionof

ActiveNoise℡Control

同志社大学工学部教授

泉小孝

Takayuki之Iくoizumi

同志社大学大学院工学研究科
機械工学専攻岩木那

俊雅Masatoshi気)生産部技術課

lwaki

潔須Kiyoshi

Naslユアクティブノイズコントロールは近年盛んに研究が行われているが,本格的な実用化となるには,改善すべき点もまだまだ多い｡本報ではアクティブノイズコントロールの冷却塔‑の適用について概説する｡本報で提案するシステムは,冷却塔のフアン上部に分割ダクトを設置し,本文で詳しく述べる省演算MEFXLMS法を使用し,離散周波数騒音の低減を図ることで全体的な騒音の低減を行うものである｡
Recently,
many
purposeActivethisoftoapplication
separated
reducethat

pointsControl

have

have

tobeimproved

paper
cooling

ducts
noise

Noise

abovebyis realizlng

fan,

the

reduclng

ActiveThetower.

systemthendiscrete

adopt
frequency

アクティブノイズコントロール

分割

ダク

省演算MEFX

beenforstudiedbeforevariousits practical

Noise

Control,insuggestedomittedasproblems

application.

So

anexample,isthis paper

calculation

MEFX

as

it hasthemaintheconsider
follows.
Mountedwe

LMS

andmethod,noise.

Activenoise

control

トSeparated

ducts

LMS

Simplified

MEFX

離散周波数騒音noise

Discretefrequency

LMS
noise

た,騒音源に対して大きな変更を加える必要がなく,

ま えがき
騒音低減手法の一つに,アクティブノイズコントシステムも比較的小型に出来ることから,従来の受ロールがあり,近年,研究が盛んに行われている｡

動的消音方法の問題点を解決する新たな方法としてアクティブノイズコントロールとは,対象となる騒音に対し同振幅逆位相の制御音を重ね合わせ相殺す今後の展開が期待されている｡しかし,現状ではダる手法で,特に低周波騒音の低減に有効である｡ま作り出すのが限界であり1),完全な実用化には更な

ββ

クト内伝播騒音のごとき消音空間や局所消音部分を

神鋼パンテツク技報

Vol･

42

No.

1(1998/9)

る改善を必要とする｡

J‑1
.〟‑1

本報では,アクティブノイズコントロールの実用:h]x(n‑i)＋: wiX( ‑i)e(n)‑i‑0j‑0化に向け,冷却塔騒音への適用例を紹介する｡
N‑1

1.アクティブノイズコントロール理論
1.

1

Filtered‑X

I‑1

h,I( ‑i)(2)‑: (hj＋wi)I(n‑i)＋:i‑Ni‑0LMS法

音とは空気の密度変化が伝播する一種の波動現象

式(2)より(e(である｡ある音波(1次音)に同振幅で逆位相の別))2を最小にするためには,wk‑‑hkとなるように制御系を設計すればよい｡本研
究においてはLMS(Least MeanSquare)法をの音波(2次音)を干渉させれば音を相殺できると用いて,入力信号x(n),誤差信号e(n)を基に伝いうのがアクティブノイズコントロールの基本的な考え方である｡

達関数の係数wkを適応的に‑hkに漸近させる｡

ここでは,一次元音場に串けるアクティブノイズその時の係数更新式は次式になる｡

コントロールシステムを説明する｡ダクト内伝播音のアクティブノイズコントロールシステムの基本構

wi(n＋1)‑e(wi(n)‑2p(3))I(n‑i)

成を第1図に示す｡音源(1次音源)から放射された音は検知マイクロホンで検出され,信号処理回路

ここで〟はステップサイズパラメータと呼ばれるを通って制御スピーカ(2次音源)から制御音が放正の定数で係数の更新量を決定し,この値が大きい出される｡

程更新量は大きくなる｡

時刻nにおける誤差マイクヘの入力信号をe(),

しかし,実際の系においては制御スピーカから誤制御対象音源からの誤差マイクにおける音信号を差マイクまでに伝達経路c(co,d(n),制御スピーカからの誤差マイクにおける青存在しそれを考慮すると係数更新式は次式になる｡

信号をy()とおき誤差信号e(wi(n＋1)) ‑d(n)＋y(C2,‑,C]̲1)が)を求めると次式になる｡

e(cl,(1))

ただし,r(‑wi()12FL

e(n)r((4)‑i))を次式で定義するo
J‑1となる｡また,第2図に示す様に制御対象音源から

r()

J‑0の誤差マイクまでの伝達関数をタップ数ⅠのFIR(有限インパルス応答)フィルタ(h.,hl,

h2,･･･hM̲1)とし,コントローラ内で設計された制御系ンパルス応答)フィルタ(wo,wl,

これをFilered‑Ⅹl.

(有限イの伝達関数をタップ数N(N<M)のFIR(5)‑.∑ c,I(n‑j)

W2,･･･WN̲.)とMultiple

LMS法という｡
Error

LMS法

Filtered‑X

空間的に消音を行う際,複数の制御スピーカやマイク,適応フィルタを必要とする｡そこでFiltered‑Ⅹ

して式(1)を書き換えると,

2

LMSアルゴリズム4)を多チャンネルに拡張した

Input

signalDuct

冗Desired[k]dsignal[k]Controlled path

Error

Interference

N oiseslgTlale【k】＋Source

Adaptive｡J｡

filterW

Outputsignaly【k]rEヮ■0

Dm?霊cotpihOonn;N｡｡.ntio
mlCr

opbone

LMS

第1図
Fig.

1

ダクト系アクティブノイズコントロールシステ
ムの概略図

第2図

SchematicFig.

diagramofactivenoisecontrol

アクティブノイズコントロールシステムのブロック線図2Block

Diagramof activenoisecontrol

systemsystem

Vol.

42

No.

1 (1998/9)

神鋼パンテツク技報

89ErrorMultiple

Filtered‑Ⅹ

LMS(以下MEFX

Outputsignal

yk[n】y】 [n]LMSと略記2)3))法を紹介する｡
Inpl止signal

まず,多チャンネルANCシステムの一般的な構

Xl

[n】

el

[n】

eM

[n]

Adaptive FIR
filter a汀ay

成を第3図に示す｡第3図はシステム入力総数エ,ckmj
yK

Wkli･

[n]

2次音源総数K,誤差マイクロホン於数Mの構成である｡
時刻nにおける第kチャンネルのIタップ適応型
FIR

FIRディジタルフィルタの出力信号yk(n)は次式

filter a汀ay

LMS
algorith皿

Ckmj

Errorで表される｡
Lyk(n)

slgnal【□】em第3国

I‑I(6)‑: : wkli(n)xi(n‑i)

Fig.

多チャンネルANCシステムのブロック線図
3BlockDiagramof

multi‑channel

ANCsystem

l‑li‑0

但しxl()はl番目のフィルタ入力信号,第kチャンネル,wkliはl番目入力信号に対する第iタップのフィルタ係数を表す｡

I

Duct

従ってm番目の誤差マイクロホン出力信号は次式となる｡

Fanstack

FanKJ‑1) ＋: : ckmjyk(em(n) ‑dm(‑I)

k‑li‑0
KI‑I

L,

I‑I

＋: : : : cbnjWkli(‑dm(n)

k‑I

i‑0K

I‑I

l‑lj‑0:llLLT･:;)xl(‑i‑i)

L(7))十:∑∑rkml( ‑i)wkli(7i)‑dm(k‑li‑Ol‑I)‑l…

(8)rkml(n)‑: ckmjXl( ‑ i)
ノ‑0

第4図

ここでck,2U.は第kチャンネルのフィルタ出力がFig.

LJ
ANCの冷却塔‑の通用例

4The

applicationof ANC

totowercooling

2次音源を経由して∽番目の誤差マイクロホンで検出される過程のインパルス応答を表す｡
これにLMSアルゴリズムを適用すると係数更新テムの実現が困難となる｡そこで取り付けたダクトをいくつかに分割することにより一次元音場とし,式は次式となる｡

その分割した小ダクトそれぞれにについて制御を行

M

wkLi(n＋1)

rkml( ‑i)em(n)‑wkLi(n)‑FL:m‑I

2.アクティブノイズコントロールの実用化
2.

1冷却塔への適用例(9)う｡
ここで,正方形ダクト内の音波が平面波となるた
bはダめのダクト径の条件式は次式になる｡但し,クト径,ンは音速,fは周波数である｡

冷却塔騒音はフアンの通過に伴う離散周波数音と非周期的な気圧の変化に伴う広帯域ランダム騒音にb<分類される｡また騒音レベルはフアン上部で最も大(10)0･586号‑

きい｡そこで,第4図に示すようにフアンスタック

式(10)よりダクト径を小さくすればより高い周波数の上部にダクトを取り付けこのダクト通過音を対象に音を平面波にすることができ制御対象となる周波数してアクティブノイズコントロールを適用すること帯域を広げることができるが,分割数が増えるためを考える｡しかし,フアン直径が大きいためダクト実現が困難になる｡逆にダクト径を大きくすると平径が大きくなり,ダクト内部では三次元音場を形成面波となる周波数帯域が狭くなり騒音低減に不利としダクト系でのアクティブノイズコントロールシスなる｡そこで冷却塔騒音の音源調査の結果と現実的90

神鋼パンテツク技報

Volt

42 No.

1(1998/9)

なダクトの分割数を考え合わせ,制御対象とする周
波数帯域を500[Hz]以下とし,音速を3402.

並列ダクトにおける消音実験

3[m/s],

ここでは複数ダクトのアクティブノイズコントローとすると式(10)よりダクト径は350[mm]となり,実ルの実現に向け,その第一段階として二本の並列ダ験でもこの径のダクトを使用した｡

クトによるアクティブノイズコントロールシステム

2.

2

ダクトによる消音実験の実現を目的とする｡実験装置を第7図に示す｡

実験システムを第5図に示す｡使用したダクトは

2.

3.

厚さ8[mm]の木製ダクトで,断面は一辺3501

Filtered‑Ⅹ

LMS法による消音実験

ここでは2本のダクト間の干渉は考慮せずにそれ[mm]の正方形,長さは2500[mm]となっている｡

ぞれのダクトに対して独立にFiltered‑Ⅹ各マイクロホン,スピーカの配置は図に示すとおりを使用して制御を行った｡この時の係数更新式は次DSPボードDSP6031である｡実験装置としては,(DSP:TMS320C31,LMS法のようになる｡

40MHz,以下DSPと略記)及チャンネル1

びそのコントローラとしてPC/AT互換機(CPU:i486DX2,66MHz,以下PCと略記)を用いていwli(n＋1)‑wli()‑FLel(n)ril(‑i)

(11)

‑

w2i()‑〟e2(‑i)(12)

チャンネル2る｡
又マイクロホンはSONYのエレクトレット型をw2i(n＋1))r22(使用している｡
ここで,第1図で示したANCの概略図とは異な

80

り,検知マイクを用いずノイズジェネレータからの70信号を直接DSPに入力しているのは,制御スピー60

カからの音が検知マイクで検出,制御系が不安定にP〕なるのを防止するためである｡■1コ

J

ここでは入力信号としてディジタルテープレコーa<
初ダに録音した冷却塔騒音を用いて消音実験を行った｡‑‑ without

20

この時の誤差マイクロホン出力信号を第6図に示す｡‑10離散周波数騒音,広帯域ランダム音共に十分に低減

controlwith control0

できていることが分かる｡特に離散周波数騒音はそ063125188250のパワー密度が大きいために適応制御の効果が著し

Freqく,収束も速かった｡又オーバーオー.ルで12.2

第6図[dB]低減できており,適応アルゴリズムの冷却塔

Fig.

313375438500(Rz)

フアン騒音の低減効果
6

Noise

reductioneffect offan

騒音に対する有効性が確認できた｡

PC&DSP

PC&DSP

国

冒

国

Noise

Ov

generator

Amp.

Error

Noise

Amp.

generator

Mic.Amp.

o00()

Mic.

冒

Control

Amp.

】

mlCrOpbone

speak

er

ofthesoundControl soundspeaker
500

Noise

mm

BTco,r.｡h｡n｡賢遡mm

sourceNoise

第5図

実験装置の概略図

Fig.

5

Schematic

Vol.

42No.

1

diagram(1998/9)

source

第7図of theexperimental

setup

Fig.

神鋼パンテツク技報

実験装置の概略図
7Schematicdiagram

experimental

setup91誤差マイクロホン1の出力信号を第8図に,誤差w.2i(n＋1) ‑w12i(n)(el(‑＋e2(n)r.22(マイクロホン2の出力信号を第9図に示す｡)Yi12(‑i)(14)))

これより消音点1では約100[Hz]から300[Hz]チャンネル2の間で非常に良い低減効果が得られているが,翼通[flz]の成分の低減効果が過周波数騒音である480ほとんどないことが分かる｡又,消音点2では,オーw2.i(n＋1) ‑w21i(n) ‑FL (el(n)r211(n‑i)＋ e2 ( )r221 ( )(15)w22i(n＋l) ‑w22i(n) ‑1L (e.(＋ e2 ( )r222(n))(16)

バーオールで1.3[dB]しか低減できておらずほとんど効果がなく,480[Hz]付近では,制御前よりもエネルギが増大している｡又,異なる2点で同時)r212(‑i)に測定した.騒音を2つの音源スピーカそれぞれに入力して消音実験を行ったが,この場合も同様に周波従って,この構成ではMEFX‑LMSアルゴリズム

数によっては制御前よりもエネルギが増大し,シスを用いると各チャンネルではそれぞれ2つの入力信テムが不安定となった｡これはダクト間の相互の干号が必要になる｡
通常,

渉により一方の騒音源が他方の制御系に悪影響を及ることにより消音が可能となるが,本研究におけるぼす為であると考えられる｡
2.

3.

省演算MEFX

2

MEFX

3次元音場では複数の制御スピーカを用いダクトを用いた消音実験では,その伝播音は平面波LMS法の提案となっているため,各ダクト内の伝播音はそれぞれLMSアルゴリズムによって適応型FIRフィルタを構成する場合,式(9)における畳み込み演1つのスピーカで消音可能であると考えられる｡従っ

算がKXM回,適応フィルタにおける畳み込み演て,各チャンネルへの入力信号はそれぞれのダクト

L, Mは前節と同じものを表す)
算がKXL回(K,と非常に多くなり,フィルタのタップ数が大きい時の音源に対する入力信号のみでよいことになる｡従っやサンプリング周波数が大きい時はその実時間処理(13)と式(15)だけになり,各チャンネ)I,における適応フィが非常に困難となる｡そこで本研究では,次に示す

ルタの畳み込み演算は1サンプリングに1回となる｡

演算量削減手法を提案する｡てこの構成における適応フィルタの係数更新式は式

更に本研究ではこれにエラースキャニング法5)をここでシステム入力数L‑2,適用し,各時間nにおいて扱う誤差信号を1つと2次音源総数K‑して,サンプリングごとに扱う誤差信号を変更する

2,誤差マイクロホン総数〟‑2のANCシステムに適用する｡式(9)より各フィルタ係数の更新式は次ことにより各チャンネルにおける参照信号の生成に式のようになる｡

伴う畳み込み演算も1サンプリングに1回とできる構成にした｡
上記のような手法により,結局適応フィルタの係

チャンネル1(el(n)ri..(.1i(n) ‑(n))＋e2(n)r12.

w.1i(n＋1) ‑‑i)

数更新式は次のようになる｡
(13)
9080
∫

$0;F^㌔::70l.r>:.

70

ヾモ･60L･古0..ー

50〔q｢⊃ロ⊃E40JFL<(′)■]

5; 3050403020‑‑ without

10‑

controlwithcontrol

320400‑‑･‑without

201(Icontrolcontrol‑with

0080160240

Freq

第8図

Filtered‑Ⅹ4800928

LMS法を用いたフアン騒音の低減

Noiseredution

LMSmethod

120180240

Freq

第9図

Filtered‑Ⅹ

効果(mic.1)
Fig.

60[Ⅱzl360300420480IEzILMS法を用いたフアン騒音の低減

効果(mic.2)
effectoffanwith

Filtered‑Ⅹ

Fig.

(mic.1)
神鋼パンテツク技報

9Noiseredution

LMS

methodeffectoffan

Filtered‑Ⅹwith(mic.2)
Vol.

42

No.

1(1998/9)

チャンネル180

wlli(n＋ 1) ‑wlli(n) ‑〟el()rll.(17)

‑i)

70

()r60

wlli(n十1) ‑wl.i() ‑FLe2()r121(18)

‑i)

す50
■てコ

ニ40

チャンネル2w22i(P<∽＋ 1)‑

w22i(n) ‑FLel(n)r212(n‑ i)3019)

20== withoutOrw2221( ＋ 1)‑

w22i(10)‑FLe2(Czo))r222(n‑i)

‑with

080

160240Freq

これを一般化すると1サンプリング間の畳み込み演
算回数は,適応フィルタにおいてk回,式(3)においてK回となり,大幅に演算量が削減できる｡本

第10固

省演算MEFX減効果(mic.1)

Fig.10Noise

報ではこの方法を省演算MEFX法と呼ぶ｡
2.

3.

3

省演算MEFX

省演算MEFX

control
colltrOl

400480

LMS法を用いたフアン騒音の低reduction

effectLMS

MEFX

calculation

320[Hz:]offanwithomitted‑(mic.1)

methodLMS法による消音実験

LMS法を用いて2本のダクト間80の干渉を考慮した消音実験を行った｡ここでの係数
更新式は式(17)と式色9)及び式(咽と式Czo)の組み合わせを60サンプリングごとに変更して使用する｡
誤差マイクロホン1の出力信号を第10図に,誤差40

マイクロホン2の出力信号を第11図に示す｡
これより消音点1,2共に約80[Hz]から320[Hz]の間で非常に良い低減効果が得られていることが分かる｡又翼通過周波数騒音である480･･‑without

20‑with[Hz]control
controJの成分も約10[dB]低減されている｡オーバーオー
ルでは消音点1で7.9[dB],消音点2で8.6[dB]の0低減効果が得られた｡
前述の結果から,省演算MEFX

第11図

LMS法の冷却塔騒音に対する有効性が確認できた｡
2.

4100

省演算MEFX
減効果(mic.2)

Fig.llNoise400500

MEFX

effect
LMS

of

fan

methodwithomitted‑(mic.2)

ファン騒音への適用
Ntlmber
Fof blades

8 Pleaces:

用したフアンの概形を第12図に示す｡モータはイン@l=65

ダクションモータ(フアンの回転はインバータによ∩り制御する),使用電圧200[Ⅴ],出力2.2[kW],且

翼の枚数は8である｡
4.

1離散周波数騒音

実際のフアンに消音システムを取り付ける場合,

A

先の実験例のように音源信号をテープに録音しておいて,そこから信号を取り出すといったことは出来

30.0 °eg

ない｡そこで別の方法で音源信号を検出する方法を考える｡
フアン騒音は離散周波数騒音と広帯域ランダム騒音に分類できるのは前述の通りである｡離散周波数
騒音は,翼の回転面の空気が動翼の通過のたびに圧力のパルスを受け,この圧力パルスによって発生するもので,翼枚数と回転数の積を基本周波数とする
Vol.

300

LMS法を用いたフアン騒音の低reduction

calculation

ここでは実際のフアン騒音への適用を考える｡使

2.

200

42 No.

1(1998/9)

短軸

第12図

フアンの概形

Fig.12

Specification

神鋼パンテツク技報

ofaxialfanββ高調波騒音である｡すなわち離散周波数騒音は翼のから検出することが出来る6)0通過に同期して発生することになる｡フアン騒音の

2.

4.

2

離散周波数騒音の低減実験

この実験では最も騒音の音庄レベルの高い部分を大部分はこの離散周波数騒音によって占められ,その結果,離散周波数騒音を低減することは騒音全体制御点とし,その一点での騒音低減を目的とする｡

を低減させることに繋がる｡

実験システムを第13図に示す｡
Passing

翼通過周波数(BladeFrequency)をマイクロホン,スピーカ,ローバスフィルタ(NFI;pF些竺‑以下L.P.F.

回路設計ブロック株式会社製E3201B

jTBFF[Hz]とおくと次式が成り立つ｡(2力60と略記), FFT.アナライザ(小野測器製CF‑5220),
磁気センサ(マコメ研究所製SW
270‑12),各アン
プの配置は第13図に示すとおりである｡処理装置とここで,Bは翼の数,

N[r.p.m.]はフアンの回転しては,前出のものと同様である｡硫気センサは,数である｡よって離散周波数騒音の∽次の周波数

翼が取り付けてある円盤に8個の磁石を等間隔に配をfm[Hz]とおくと次式となるo置し,その磁石の上部にくるように設置する｡
入力信号は磁気センサからの出力信号を用い,フア

fm‑位Z)mXjTBPF

Filtered‑Ⅹ

ンの回転数は900[r.p.m.]として,LMSアルゴリズムを使用し制御実験を行った｡そ従って離散周波数騒音は翼の通過に伴うパルス信号

L.P.F

L.P.F

Mic.A汀Ip.

Amp.の時の制御前と制御後の音庄レベルを第14図に示す｡

F.F,T.

EてrOr
mlCrOphone
DCPower

supplyMagnetic

sensorContro一 speaker

94

第13図

冷却塔モデルの概略図

Fig.13

Schematic

神鋼パンテツク技報

diagramofthecooling

tower

Vol･

42

1

No･

mode:

(I998/9:とが分かる｡

80

この結果より翼通過パルスを入力信号としたアクティブノイズコントロールが,離散周波数騒音の低中<減に対し有効であったと結論づけられる｡

4)
>･
4)

J

む

4J
h7
Gろ〝〉

びす

アクティブノイズコントロール技術の冷却塔‑のqJ
L仁l

適用に関しては,解決すべき問題はあるものの,袷

ち【]jO
初‑･･‑without‑with

却塔の低騒音化の方法として適用可能との結論を得

controlcontrol

た｡[参考文献】

0100

200300FreqtlenCy

[E2,]

第14図

柾散周波数騒音の低減効果

Fig.14

Noisereductioneffect

4005001)西村,自動車技術(特集),2) S. ∫. ELLIOTT
of discrete

Algoritbm

frequency

ControlnOISeofSACTIONS,

第14固より,一次の離散周波数騒音に対しては約

3) S. ∫. ELLIOTT
IEEE

16.5 [dB],二次の離散周波数騒音に対しては約6.4[dB],オーバーオールについては約5.1[dB]の低SIGNAL

1996,

50‑10,

pp.22‑28.
Error
LMS

Multiple･ほか2名,

Activelts Application
andSoundVibration,
andtoASSP‑35,

pp.1423‑1434.
Noise
Control,

NO.10,

1987,
Active･ほか1名,PROCESSING

theTRAN‑IEEEMAGAZINE,

1993,

pp.12‑34.

減を行うことが出来たことが分かる｡これは,オー

4)大賀･ほか1名,音響システムとディジタル処理,電1995, pp.136‑157,
226.
子情報通信学会,

バーオールの主成分が離散周波数騒音であることか

5)江口･ほか2名,演算効率を高めた多チャンネル能動騒音制御法,日本横械学会講演論文集,

ら,離散周波数騒音の低減によりオーバーオール値

pp.157‑161.
T Okada&RUgo,

転翼騒音の離散周波数騒音に絞り制御を行うことがFan

Activeオーバーオールの低減には多大な効果をもたらすこ

pp.1133‑1136.の低減が成されたと考えられる｡この結果より,回

6)

Using

BasicStudy

NoiseVol.
forA

B,

1993,

Low‑Noise

Cancellation,

1996,

連絡先
那須

気熟装置事業部

潔

生産部

技術課課長

TEL

FAX
E‑mailVol.

42

No.

k.nasu@1078‑232‑8135
078‑232‑8066
pantec.

(1998/9)

co.jp

神鋼パンテツク技報95