日本音響学会 編
音響テクノロジーシリーズ

新 版

ロナ社

アクティブノイズコントロール
西村

工 学 博 士宇佐川コ

工 学 博 士正治
毅博士（工学)伊勢史郎

博士（工学)

梶川

嘉延

コロナ社

共著

社

ロナコ

社

ロナコ

社

ロナコ

まえがき

人の生活において，より快適な音環境を実現することが，ますます望まれるようになってきており，機械や住宅の静粛化が重要な課題となっている。そのような静粛化には，従来，物体形状や構造を最適化したり，吸音材，遮音材，社防振材などを用いる受動騒音制御（passive noise control，PNC）技術が広く用いられている。しかし，PNC では低周波音の対策が原理的に，大きく，重く，コスト高になる欠点があり，スピーカなどのアクチュエータを作動させてロナ

消音を実現する能動騒音制御（アクティブノイズコントロール：active noisecontrol，ANC）技術が注目されている。アクティブノイズコントロールは波長の長い低周波音に対しては，アクチュエータやセンサの個数が少なく制御も容易であり，原理的に効果的である。

アクティブノイズコントロールはよくといわれるが，必ずしもそれだけではなく，本書に示すコンセル消音する技術

逆位相の音を出してもとの音をキャようにいろいろな物理メカニズムの消音を実現するものである。アクティブノ
イズコントロールの基本コンセプトは 1936年に特許が取得されており，古いものである。その後なかなか実用化に至らなかったが，1970年代以降の急速な電子技術とディジタル技術の進歩により，研究開発が進み，実用化されるようになってきた。しかし，まだ一般に普及し日常的に使えるところまでは至っていないと考えられる。
本書は，アクティブノイズコントロールの消音原理から，制御アルゴリズム，実用例を体系的にまとめた専門書である。本書により，アクティブノイズコントロールはどのようなメカニズムに基づいたものかを理解していただくとともに，その制御ロジック，アクティブノイズコントロールの利点，限界など

iv

まえがきを正しく理解していただければ幸いである。また多くの応用例を参考にして，種々の製品の騒音対策に活用していただくことを期待する。
１章ではアクティブノイズコントロールの概要として，その歴史や基本原理，基本構成と制御の概要，アクティブノイズコントロールの用途による分類などを述べた。２章ではアクティブノイズコントロールの物理と題して，音場の基礎方程式から，アクティブノイズコントロールの物理メカニズムについて解説した。３章ではフィードフォワード制御，フィードバック制御などアクティブノイズコントロールの制御アルゴリズムについてまとめた。４章では，ハードウェアとシステム構成と題して，制御システムを構築するうえでの留意点

社について述べた。センサやアクチュエータ，DSP（digital signal processor）などについては，それぞれの各専門書を参照されたい。５章ではアクティブノイズコントロールの適用例として，できるだけ多くの例を掲載した。

ロナ

本書を執筆するにあたり，アクティブノイズコントロール適用例の紹介に快く同意していただいた多くの方々に感謝します。また，本書の出版の機会を与えていただいた日本音響学会およびコロナ社に対して心より感謝申し上げます。

コ

2006年５月

著者

新版にあたって本書の初版が発行されてから 10年以上が経過した。その間に信号処理アルゴリズム，ハードウェアの進歩は著しく，また実用例も多方面に及ぶようになってきた。そこで，執筆陣を拡充し，３章：制御アルゴリズム，４章：ハードウェアとシステム構成，５章：アクティブノイズコントロールの適用例に最新の情報を取り入れた。また，近年注目を集めている音場再現技術は，アクティブノイズコントロールと類似の信号処理を行い，実用化の一展開ととらえることができる。そこで，６章：音場再現への展開を追加した。
2017年８月

著者目次

アクティブノイズコントロールの概社

1.1 騒音対策とアクティブノイズコントロール …………………………………1
1.2 アクティブノイズコントロールの歴史………………………………………3

1.3 アクティブノイズコントロールの基本原理 …………………………………4
1.3.1 ホイヘンスの原理

ロナ

4

1.3.2 消音のメカニズム6

1.4 アクティブノイズコントロールの基本構成と制御手法 ……………………9
1.4.1 フィードフォワード制御
1.4.2 フィードバック制御
1.4.3 周 期 音 の 制 御911121.4.4 多チャネルシステム

コ

14

1.5 アクティブノイズコントロールの用途による分類 ………………………14
1.6 アクティブノイズコントロールの特徴と課題……………………………19

引用・参考文献 …………………………………………………………………………19

アクティブノイズコントロールの物理
2.1 音の干渉 ……………………………………………………………………22

2.1.1 重ね合せの原理

222.1.2 逆 シ ス テ ム

23

目vi

次

2.2 音響エネルギーを反射するアクティブノイズコントロール ……………25
2.2.1 一 次 元 音 場

25

2.2.2 モノポール音源

26

2.2.3 ダイポール音源

29

2.2.4 トリポール音源

31

2.3 音響エネルギーを低減するアクティブノイズコントロール ……………33
2.3.1 共 鳴 の 制 御332.3.2 音響放射の制御

372.4 流体の基礎方程式………………………………………………………………39

2.4.1 連 続 の 方 程 式

402.4.3 エネルギー保存則

42社

2.4.2 オイラーの方程式（流体の運動方程式)
44

2.5 音の基礎方程式 ……………………………………………………………………46
2.5.1 波 動 方 程 式

ロ
ナ

47

2.5.2 グリーン関数と点音源
2.5.3 音響エネルギー50

522.5.4 瞬時音響インテンシティと複素音響インテンシティ
2.5.5 キルヒホッフ‑ヘルムホルツ積分方程式

55

57

2.6 三次元音場におけるアクティブノイズコントロールの物理 ……………59

コ

2.6.1 ホイヘンスの原理に基づいたアクティブノイズコントロール
2.6.2 境界音場制御の原理に基づいたアクティブノイズコントロール

2.7 まと59
64

め ……………………………………………………………………65

引用・参考文献 …………………………………………………………………………66

制御アルゴリズム3.1 適応アルゴリズムの基礎 ………………………………………………………68
3.1.1 FIR 型適応ディジタルフィルタ
3.1.2 最 急 降 下 法

7068

目
3.1.3 LMS アルゴリズム

次vii

71

3.1.4 その他のアルゴリズム

73

3.2 広帯域フィードフォワード制御 ………………………………………………75
3.2.1 広帯域フィードフォワード制御の基本構成

75

3.2.2 ﬁltered‑X LM S（FXLM S）アルゴリズム

76

3.2.3 一般的なフィードフォワード制御システムと制御効果
3.2.4 二次経路推定手法

7982

3.3 周期性をもつ雑音に特化した制御アルゴリズム
87

3.3.2 外部同期型アルゴリズム II：SFX

89

3.3.3 自己同期型アルゴリズム：DXHS91社3.3.1 外部同期型アルゴリズム I：WS…………………………86

3.3.4 適応ノッチフィルタを利用した制御：SAN

93

3.4 多入力多出力システム …………………………………………………………9 4
3.4.1 MEFX‑LM S アルゴリズム

ロナ

97

3.4.2 ES‑LMS アルゴリズム

98

3.4.3 周期性騒音の多チャネル制御アルゴリズム
3.4.4 多点逆フィルタ理論
3.4.5 quiet zone

99

100

101

3.5 フィードバック制御 ……………………………………………………………103

コ

3.5.1 フィードフォワード制御との対比

103

3.5.2 フィードバック制御システムの基礎
3.5.3 状態変数表現による制御系設計
3.5.4 IMC 構成によるフィードバック制御

104
107
108

3.6 バーチャルセンシング …………………………………………………………110
3.7 アルゴリズムの選択 ……………………………………………………………113
引用・参考文献 …………………………………………………………………………114

目viii次

ハードウェアとシステム構成
4.1 アナログシステム ………………………………………………………………118
4.1.1 ラ プ ラ ス 平 面

119

4.1.2 回

120

路

理論

4.1.3 システムの安定性

121

4.1.4 ラプラス平面の幾何学的理解
4.1.5 ナイキスト安定判別法

122
123

4.1.6 フィードバック制御システムの安定性

1254.2.1 DSP の一般的なアーキテクチャ
4.2.2 設

計手順

130

社

4.2 ディジタルシステム ……………………………………………………………126
126

ロ
ナ

4.3 アクティブノイズコントロールシステムの設置手順 ……………………132
4.3.1 アクチュエータとセンサの設置方法
4.3.2 コ ヒ ー レ ン ス1334.3.3 因133

果律

4.3.4 フィルタタップ長

132

134

4.4 アクティブノイズコントロールシステムのモジュール化

コ4.4.1 複数の誤差信号をもつフィルタの性質
4.4.2 モジュール化の利点……………134

135

137

4.5 FPGA を用いた高速信号処理 ………………………………………………138
4.5.1 高速信号処理の必要性

138

4.5.2 FPGA コントローラの試作試験例

4.6 まと139

め …………………………………………………………………142

引用・参考文献 …………………………………………………………………………143

目

次ix

アクティブノイズコントロールの適用例
5.1 ダクト消音への適用例 …………………………………………………………144
5.1.1 空調ダクト用アクティブノイズコントロール

144

5.1.2 ガスタービン排気音用アクティブノイズコントロール

148

5.1.3 ディーゼルエンジン排気音用アクティブノイズコントロール
5.1.4 送風機用アクティブノイズコントロール

151

153

5.2 耳元のアクティブノイズコントロール ……………………………………154

5.2.2 クワイエットチェア

157

社

5.2.1 アクティブノイズコントロール付きヘッドセット
5.2.3 MRI 騒音向けアクティブノイズコントロール

154
158

5.3 車内・機内音のアクティブノイズコントロール …………………………160

ロ
ナ

5.3.1 航空機機内音のアクティブノイズコントロール

161

5.3.2 建設機械キャブ内音のアクティブノイズコントロール
5.3.3 自動車車内音のアクティブノイズコントロール

162
165

5.4 音場境界の制御 …………………………………………………………………167
5.4.1 アクティブノイズコントロールによる壁吸音率の制御

167

5.4.2 アクティブノイズコントロールによる防音壁回折音の制御

コ

5.4.3 アクティブノイズコントロールによる壁透過音の制御
5.4.4 アクティブ音響シールディング

172
176

178

5.5 空力自励音の制御 ………………………………………………………………184
5.6 そ の 他 の 試 み …………………………………………………………………187
5.6.1 ボイスシャッター

187

5.6.2 パラメトリックスピーカを用いたアクティブノイズコントロール

19 1

引用・参考文献 …………………………………………………………………………19 4

目x

次音場再現への展開
6.1 理論 …………………………………………………………………19 9

6.1.1 音場制御理論の歴史的背景

19 9

6.1.2 キルヒホッフ‑ヘルムホルツ積分方程式の物理的解釈
6.1.3 二つの音場の相等性

200

202

6.2 音場再現システム ………………………………………………………………203
6.2.1 音圧による音場再現

203

6.2.2 離散点制御による二つの音場の相等性
6.2.3 音場再現システムの実現

204

6.2.4 逆システムの設計法

205

社

204

6.3 システムの実装 …………………………………………………………………206
6.3.1 BoSC マイクロホン

ロナ

6.3.2 音

206

響樽

206

6.3.3 小型ディジタルアンプの開発

207

6.4 システムの性能評価 ……………………………………………………………209
6.4.1 物理評

価

209

6.4.2 音 像 定 位 実 験210

コ

6.4.3 三次元音場による実在感の心理・生理評価

211

6.5 音 響 樽 の 応 用 …………………………………………………………………213
6.5.1 音場シミュレータ

213

6.5.2 サウンドテーブルテニス
6.5.3 音場共有システム

6.6 まと214
215

め …………………………………………………………………217

引用・参考文献 …………………………………………………………………………218

索

引 …………………………………………………………………………221アクティブノイズコントロール（active noise control，ANC と略す場合もある）は一般に逆位相の音を発生してもとの音をキャンセル消音する技術社といわれている。本技術は一見夢のような技術に見えるが，実用面では限界も多い。その適用にあたっては消音のメカニズム，技術の限界などを十分理解しておく必要がある。

ロナ

そこで本章では，まず機械の騒音対策を進めるうえでのアクティブノイズコントロールの位置付けを明確にする。その後，アクティブノイズコントロールの歴史，アクティブノイズコントロールの基本原理と構成について述べ，アクティブノイズコントロールの概要，限界などを解説する。最後にアクティブノイズコントロールを種々の観点で分類し，どのようなアクティブノイズコント

コロールがあるかを解説する。

1.1 騒音対策とアクティブノイズコントロール
機械の騒音対策は，その音源となる圧力変動を引き起こす気流の乱れや振動を引き起こす加振力を低減する，いわゆる音源対策が最も効果的である。しかし，それらは機械の性能確保と相いれない場合も多く，空気伝播や固体伝播の伝播経路対策が多く用いられる。
図 1.1 は，ガスタービン発電ユニットを例に取った場合の各種騒音伝播経路対策を示したものである。エンクロージャ，消音器，防振マウント，遮音壁，防音ラギングなどの対策があるが，それらはいずれも吸音，遮音，音の反射，

2

1. アクティブノイズコントロールの概要

社

図 1.1 各種騒音伝播経路対策

干渉，制振，防振などを利用したものである。これらの対策は通常，吸音材，遮音材，制振材，防振材などを利用したり，形状を適正化することによって行ロナ

われる。これらは特に動くものをもたないことから受動騒音制御（passivenoise control，PNC と略す場合もある）と呼ばれている。しかし，これらの対策は一般的に高周波音成分に関しては有効であるが，低周波音成分に対しては減音効率が悪く，大きな減音効果を得るには一般に大きく，重い，コスト高の対策となる。

コ

アクティブノイズコントロールはこれらの騒音対策を，何かを動かして実現しようとするものである。アクチュエータ（actuator，駆動部）としては，スピーカや加振器が通常用いられるが，空気流量などをバルブでコントロールしてもよい。稼動部があることから能動騒音制御（アクティブノイズコントロール）と呼ばれている。アクティブノイズコントロールは後述のように原理的に波長の長い低周波音対策に効果的であり，PNC の不得意な領域をカバーする技術として注目されている。
アクティブノイズコントロールは原理的には上記すべての騒音対策に適用することが可能であるが，現在では消音器，エンクロージャ，遮音壁，防振マウントの性能向上などにより効果的に使われている。PNC とアクティブノイズコントロールの効果的な周波数範囲は対象とする機械によって変わってくる1.2 アクティブノイズコントロールの歴史

3が，一般的にアクティブノイズコントロールのメリットが出てくるのは 500
Hz 以下といわれている。
本書ではアクティブノイズコントロールは音の伝播経路対策と位置付けているが，後述の分類で示すように，アクティブノイズコントロール自体は流れの制御や加振力の制御など音源対策にも広く用いられることを付記しておく。

1.2 アクティブノイズコントロールの歴史
アクティブノイズコントロールのアイディアは古く，すでに 1936年に P.
。そこには，ダクト内を伝播して社

Lueg によって米国特許が取得されているくる音を検出し，それに基づいて制御音を作成放射するフィードフォワード制御（feed forward control）の考え方が図示されている。また，音が伝播してロナ

くる空間に制御音を放射し，その後方に静粛領域を形成する考え方も示されている。その後，H. F. Olson らが 1953年に電子吸音器なる概念を発表している 。これは，制御スピーカのすぐ前に誤差マイクロホンを設置し，誤差マイクロホンの信号をフィードバック制御（feedback control）することにより，誤差マイクロホンの周囲に静粛領域を形成しようとするもので，いわゆるコTCM （tight coupled monopole）である。制御は当時のことでアナログ制御であるが，現在最も広く使われているアクティブノイズコントロールイヤーマ
フラはまさにこれを実用化したものである。日本では 1969年に城戸ら が変圧器の消音対策にアクティブノイズコントロールの適用を提案したのが最初といわれている。これは，変圧器から発生する 100Hz とその倍音を特定の方向に伝播しないように，そのまわりに設置したスピーカで制御したものであり，バンドパスフィルタで発生音を周波数帯域ごとに分離し，その帯域ごとにゲインと位相をマニュアルで調整している。この結果，制御方向では減音は得られているが，他の方向で増音が見られた。これらの先駆的研究は実験としては成功

肩付数字は章末の引用・参考文献番号を示す。

1. アクティブノイズコントロールの概要

4

しているが，当時のアナログ電子技術では限界があり，実用化には至っていなかった。
アクティブノイズコントロールの研究開発が活発化したのは，1970年代に入り電子技術や制御技術が急速に進歩し始めた時期からである。まずイギリス，フランスで研究が進み，ディジタル技術が世に出てきた 1970年代後半からしだいに研究の輪が拡がった。1980年代初めには Chaplin らにより，波形同期法を用いたアクティブノイズコントロールを舶用エンジンに適用した
例 や，Ross がランダム音制御アルゴリズム に基づいて 11MW のガスター
ビン排気低周波音を制御した例が発表されている。

社

1980年代後半に入り，ディジタル信号処理技術，適応制御技術が発展すると，アクティブノイズコントロールの研究も大きく加速され論文の数も急速に増加した。特に DSP（digital signal processor）の飛躍的な発展は音響領域

ロナの周波数のリアルタイム信号処理を可能にし，アクティブノイズコントロールを一気に実用化に導いた。

その後，種々の制御アルゴリズム，信号処理手法が発案され，種々の機械に適用されるようになり，アクティブノイズコントロールのメリット，デメリット，アクティブノイズコントロールの限界も明確になってきた。本書では，そコの内容について以後の章で紹介，解説していく。アクティブノイズコントロー
ルは一時のブーム的な研究開発時期は去ったものの，各方面で地道な実用化研究が行われ，すでに種々の分野で実用化，商品化が実現されている。PNC と同様，騒音対策の一つの道具として定着しつつある。

1.3 アクティブノイズコントロールの基本原理
1.3.1 ホイヘンスの原理
アクティブノイズコントロールの消音原理についてはいろいろな説明がなさ
れ る が，波 の 重 ね 合 せ で 説 明 す る の が 最 も わ か り や す い。ホ イ ヘ ン ス

1.3 アクティブノイズコントロールの基本原理

5（Huygenʼs）の原理によると，図 1.2 において，一次音源（primary source，騒音源）のまわりに形成される音場とまったく同一の音場 Ωを，一次音源を取り囲む空間に閉じた面 Σ上に分布した二次音源（secondary source）によって形成することが可能である。そこで，二次音源の位相を反転させた場合，Ω内では一次音源で形成される音場と，二次音源で形成される音場が同一ゲイン・逆位相となり，重ね合せにより完全にキャンセルされ音圧が０になる。これが音場のアクティブノイズコントロールの基本原理である。図(ｂ)に示すように，制御対象空間 Ωを囲むように Σを選ぶと，Ω内の音圧を０にすることロナ社ができる。

コ

図 1.2 アクティブノイズコントロールの基本原理

対象領域が三次元の場合は境界が面になり，理論的には無数の二次音源が必要になるが，実際には対象音の波長に比べて十分短い間隔で二次音源を配置すれば十分である。よって波長の長い低周波音では粗い間隔の配置で十分であるが，波長の短い高周波音を対象とする場合はより密な配置が必要になる。アクティブノイズコントロールが低周波音に対して実現しやすく，高周波音に対して難しいのはこのような原理によるものである。
図(ｃ)のようなダクトでは，断面寸法が対象音の半波長より短い場合は平面波のみが伝播し，一次元的な取扱いが可能である。厳密には，長辺が の矩形断面ダクトでは， ＜ 0.5 / の周波数範囲で，直径がの円形断面では＜0.586 / の周波数範囲で平面波のみが伝播する。ここで， は音速である。

著者略歴
西村正治（にしむら宇佐川毅（うさがわ

1970年
1972年

京都大学工学部航空工学科卒業
京都大学大学院工学研究科修士課程修了（航空工学専攻）
三菱重工業株式会社勤務
工学博士（姫路工業大学）
鳥取大学教授鳥取大学特任教授
N ラボ代表
現在に至る

1981年
1983年

九州工業大学工学部情報工学科卒業
東北大学大学院工学研究科博士前期課程修了（情報工学専攻）
熊本大学助手工学博士（東北大学）
熊本大学講師
熊本大学助教授
熊本大学教授現在に至る

伊勢史郎（いせしろう）

梶川

嘉延（かじかわ

1984年
1984年
1988年

早稲田大学理工学部電子通信学科卒業
株式会社コルグ勤務
早稲田大学大学院理工学研究科修士課程修了（電気工学専攻）
東京大学大学院工学系研究科博士課程修了（建築学専攻），博士（工学）
財団法人建設工学研究会主任研究員
早稲田大学理工学総合研究センター
客員講師
奈良先端科学技術大学院大学助手
ケンブリッジ大学客員研究員
京都大学大学院助教授
京都大学大学院准教授
東京電機大学教授
現在に至る

1991年
1993年

関西大学工学部電子工学科卒業
関西大学大学院工学研究科博士前期課程修了（電子工学専攻）
富士通株式会社勤務
関西大学助手博士（工学）（大阪大学）
関西大学専任講師
関西大学助教授
関西大学准教授
関西大学教授
現在に至る

1994年
1996年
1998年2007年
2013年

1993年
1994年
1997年
1998年
2001年
2007年
2009年

社

1991年
1993年

1983年
1988年
1988年
1990年
2003年

ロ
ナ

1991年

コ

1972年
1990年
2002年
2013年

まさはる）

つよし）

よしのぶ）

社
ロ
ナ

新版 アクティブノイズコントロール
Active Noise Control（New Edition）

検印省略

2006，2017

初版第１刷発行
初版第２刷発行
新版第１刷発行

編者
発 行 者

コ

2006年 ７ 月 ７ 日
2008年 ７ 月 10日
2017年 10月 ６ 日

一般社団法人 日本音響学会

印 刷 所
製 本 所

一般社団法人 日本音響学会
コロナ社
牛来真也
壮光舎印刷株式会社
牧製本印刷株式会社

株式会社
代 表 者

112‑0011 東京都文京区千石 4‑46‑10
発 行 所

株式会社

コ

ロ

ナ

社

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan

振替 00140‑8‑14844･電話(03)3941‑3131(代)
ホームページ http://www.coronasha.co.jp
ISBN 978‑4‑339‑01134‑0 C3355 Printed in Japan(新宅)

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丁・乱丁はお取替えいたします。