JPH0325679B2 - - Google Patents

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JPH0325679B2
JPH0325679B2 JP56138677A JP13867781A JPH0325679B2 JP H0325679 B2 JPH0325679 B2 JP H0325679B2 JP 56138677 A JP56138677 A JP 56138677A JP 13867781 A JP13867781 A JP 13867781A JP H0325679 B2 JPH0325679 B2 JP H0325679B2
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canceling
duct
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adaptive filter
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Edoin Waanaka Guren
Aren Puuru Rin
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AKUTEIBU NOIZU ANDO BAIBUREISHON TEKUNOROJIISU Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、音響減衰の技術分野に関し、さらに
詳述すると、特定源からダクトのような限定区域
を通つて伝搬する狭または広帯域の低周波音響
を、源音に対して180゜の位相外れを有しかつ源音
と振幅が等しい相殺音響を導入することによつて
減衰する能力のある装置に係るものである。
［従来の技術］ ダクトのような限られた囲いを通して搬送され
る音圧レベルの大幅な低減は多年にわたつて末解
決の問題になつている。例えば、工場において、
機械類および各種の製造作業で発生された雑音
は、そのような区域の暖房および換気ダクトか
ら、低レベルの雑音が所望されるところのプラン
トのオフイスその他の部分に接続するダクトへ搬
送される。これは不可聴音ないし800ヘルツの範
囲内の低周波雑音において特に問題である。すな
わち、そのような周波数を減衰する受動手段は費
用が高く、比較的に効率が悪くかつサイズが物理
的に大きく、そのためにほとんどの低周波適用に
おいて実用的でない。
1925年に始まつてきわめて急速なペースで現在
まで続いている。エレクトロニクスにおける発展
は雑音の“能動（active）”減衰の概念を低周波
数の受動減衰に代る可能性のあるものだけではな
く、また魅力のあるものにした。いわゆる能動減
衰の原理は空気中の音響の速度が電気信号の速度
よりもはるかに低いという事実に基づいている。
音波がその検出される場所からそれが減衰される
遠隔場所まで伝搬するのに要する時間内に、伝搬
波のサンプルを取り、この情報を電子回路内で処
理し、伝搬音に対して180゜の位相外れを有しかつ
伝搬音と振幅が等しい相殺音を導入するところの
スピーカを駆動する信号を発生するのに十分な時
間がある。上述した音響の能動減衰のプロセスは
概念的には簡単に見えるが、この分野における先
行技術を検討すると、この問題の複雑さおよび比
較的広帯域の低周波数にわたつて良好な減衰を得
ることの難さがわかる。
能動減衰の分野における最初の努力の１つは第
１図に示されたLuegの米国特許第2043416号に開
示されている。Luegのシステムはマイクロホン、
増幅器およびスピーカからなるモノポール
（monopole）である。マイクロホンは源音を検出
しかつそれを電気信号に変換し、この電気信号は
増幅器へ送給される。増幅器で駆動されるラウド
スピーカが、マイクロホンの下流側で、源音から
180゜の位相反転を達成するのに必要な時間遅延を
与える場所に配置されている。ラウドスピーカは
源音の鏡像をダクトに注入し、その結果として源
音がラウドスピーカの場所を通るとき、源音の対
応する高圧および低圧空気と180゜位相外れした高
圧または低圧空気が導入される。ラウドスピーカ
が源雑音の通行と完全に同期化されているときに
は、源雑音の圧力とラウドスピーカの圧力は平均
して０になり（周囲静圧）、雑音が相殺される。
Luegのシステムの検討から明らかであるよう
に、減衰が起こるのは、マイクロホン（源音のサ
ンプルが取られる所）とラウドスピーカ（相殺音
が導入される所）との間の距離が、増幅器へ送ら
れる電気信号の時間遅延が180゜または180゜の奇数
倍に等しいようになつている場合である。しかし
ながら、この状態は時間的に変動しない特定の定
常音響信号に対してのみ起こることになる。した
がつて、実際問題として、Luegのシステムは、
位相変化に適応する手段が設けられていないた
め、単一の周波数に対してのみ有効である。
Luegのシステムのこの制限が示すところのもの
は、良好な減衰のために満たさなければならない
ところの２つのパラメータがあるということであ
る。すなわち、音波が検出点から減衰点へ移動し
うるようにするための遅延時間と、減衰が相殺音
波の導入点で確実に起こるようにするための位相
とが含まれる。
位相検出および調整と関連するLuegシステム
の制限に加えて、マイクロホンに向つて上流方向
にラウドスピーカにより発生される定在波に伴う
問題が存在する。定在波パターンのために、マイ
クロホンの所の音界の圧力は人工的に不平等であ
り、これは特定周波数においてマイクロホンが定
在波の波節または波腹の所に配置されうることを
意味する。したがつて、スピーカによつて発生さ
れる相殺信号は大きすぎるかまたは小さすぎるも
のになる。その結果として、音界が定在波によつ
て増幅され、スピーカの下流側で生じた伝搬が源
で発生された音響よりも大きくさえなりうる。さ
らに、定在波界はダクト内の音圧を強化し、より
多くの音響がダクトの壁を貫通して二次的問題を
発生しうる。
上述した定在波問題を回避しかつ減衰の周波数
範囲を拡張するために、Luegシステムに後続し
ていくつかの能動減衰システムが開発された。第
２図に示された、１つの先行技術システムはモノ
ポールとダイポール（dipole）の組合せを利用
し、図示のように、ダイポールはダクトの一壁上
に配置され、モノポールはダクトの反対側に配置
されている。このシステムはM.JesselおよびG.
Mangianteによつて最初に導入され、“Active
Sound Absorbers in An Ari Duct”、JSV
（1972）23（3383−390）、と題する論文に記載され
ている。Jesselシステムのダイポールとモノポー
ルは、それらが下流方向で加算し、上流方向で減
算し、両源がつり合つたとき一方向伝搬が形成さ
れうるように位相調整されている。しかしなが
ら、Jesselシステムで得られる結果は周波数依存
性でありかつダイポール離隔距離の半波長に関連
させられることが見出された。さらに、このシス
テムの複雑さは多くの実際の適用で使用するのに
適したものになつていない。
Jesselシステムを簡素化しかつ改良性能を得る
手段として、第３，４図に示されたダイポールシ
ステムが開発された。第３図に示されたシステム
はSwinbanksの米国特許第4044203号に記載され
ている。SwinbanksはJesselに見出されるモノポ
ールを除去し、ダイポールの位相特性を変更し、
両源の伝搬が下流方向で加えられ、マイクロホン
に向つて上流の方向で相殺されるようにした。第
４図に示され、Coxonらの米国特許第4109108号
に開示されている能動減衰器は２つのラウドスピ
ーカ間にマイクロホンを配置し、スピーカ間に適
正な整相が導入されたときマイクロホンの位置に
おいて最低レベルを生ずる。このシステムは反射
的であり、ダイポールの上流側で定在波パターン
を発生するが、検出システム（マイクロホン）
は、Swinbanksのシステムと異なり、スピーカ
間に配置されているため、影響を受けない。
ダイポールおよびダイポール・モノポールシス
テムの性能の検討において、これらの多源システ
ムのおのおのは幾何学的に関連する制限を持つら
しいことが見出された。ラウドスピーカとマイク
ロホンの物理的間隔は最良性能の周波数および帯
域幅を設定する“同調効果（tuning effect）”を
発生する。特にSwinbanksシステムでは、高レ
ベルの減衰が可能であるが、このような性能は最
高約２ 1/2オクターブの程度の比較的小さい帯域
幅にわたつてのみ得ることができる。したがつ
て、ダクト内の能動雑音減衰への最近のアプロー
チは上述したようにLuegによつて最初に導入さ
れたモノポールシステムの改良に集中している。
Chaplinらの米国特許第4122303号はそのような
モノポールシステムの一例であつて、Luegシス
テムに見出される基本的なマイクロホン・ラウド
スピーカ構成に比較的に精巧な電子回路が組込ま
れている。Chaplinらにおいては、マイクロホン
で検知された一次音波を表わすところの第一の電
気信号によつて二次相殺波が発生される。この第
一の電気信号は動作段階の一プログラムとしてシ
ステムのインパルスレスポンスから誘導される第
二の信号と重畳（convolution）させられる。こ
のプロセスはアダプテイブフイルタの標準動作を
表わす。これについては、“Feedback and
Control Systems”、SchaumのOutline Series、
1967、pp.179−185、“Adaptive Filters”；
Widrow、B.、Aspects of Network and
System Theory、（1971）；“Principles and
Applications of Adaptive Filters：Ａ
Tutorial Review”、McCool、J.M.；Widrow、
B.、Institute of Eleetrical Engineers、（1976）、
に記載されている。ラウドスピーカで発生されて
上流側マイクロホンへ伝搬される定在波の問題を
回避するために、Chaplinらは単一指向性マイク
ロホンの使用またはスピーカとマイクロホンとの
間のダクトを吸音性材料でライニングすることを
提案している。さらに、Chaplinらは上流側定在
波によつて発生されるフイードバツク信号を補償
する能力のある第二のコンボルーシヨンを与える
回路を組込むことの可能性を提案している。しか
しながら、以下に詳述するように、Chaplinらの
システムのいわゆるアダプテーシヨン（適応）プ
ロセスは５〜30分の時間にわたつて起こり、した
がつてその時間にわたつて本質的に一定に維持さ
れる源信号に依存する。さらに、このコントロー
ルシステムは非常にゆつくり働くから、多くの実
際的場合に、第一のコンボルーシヨンプロセスが
なお動作している間に、システムを手動で止めて
よりよい結果とより悪い結果との間の“システム
ハンチング（hunting）”または振動を回避しなけ
ればならない。
上述したシステムのおのおのは、多くの実際的
適用においてそれらの潜在的有用性をなくさない
にしても低減するという共通の問題を持つている
ことが注目されるべきである。各場合において、
システムのスピーカ部分は相殺音を導入するため
にダクトの環境内に直接に配置されている。多く
の適用において現存のスピーカはダクトの環境ま
たはダクトの外側の非保護区域において見出され
る温度、粒子その他の異物質に長い間耐えること
ができないであろうことが予測される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の主な目的は、ダクト内を伝搬する音響
を従来技術の欠点をなくして減衰させる能動音響
減衰装置を提供することである。
本発明の一つの目的は、狭帯域または広帯域の
低周波音響を減衰する能力のある実用的な上記の
能動音響減衰装置を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、相殺音発生装置が
温度やダクトの環境内またはダクトの外側の非保
護領域にある粒子やその他の異物によつて損傷を
受けないようにした上記の能動音響減衰装置を提
供することである。
本発明のもう一つの目的は、時間的に変化する
音響信号における位相変化を調整する手段を備え
た上記の能動音響減衰装置を提供することであ
る。
本発明のさらにもう一つの目的は、長時間を要
しない適応処理手段を用いた上記の能動音響減衰
装置を提供することである。
本発明の別の目的は、相殺音発生装置から入力
検知装置に向かつて上流方向に伝わる音が定在波
を生成することに関連する問題を防止する手段を
備えた上記の能動音響減衰装置を提供することで
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
これらの目的のうちで、定在波に関連する問題
を含まないものについては、ダクト内に配設され
て源の音を検出し、前記源音の振幅および位相の
特性を表わす第１の電気信号を発生する入力検知
機構と、前記入力検知機構から前記源音の伝搬方
向に離間した場所で前記ダクトに接続され、前記
ダクトの延長部分を形成する音響ミクサと、前記
ダクトから遠隔の場所に配設されて相殺音を発生
する相殺機構と、前記相殺音を前記音響ミクサに
導入して、前記源音と結合させるために前記相殺
音を前記音響ミクサに接続する導波管機構と、前
記導波管機構より下流で前記音響ミクサ内に配設
されて前記相殺音と前記源音の合成音を検出し、
前記相殺音と前記源音の前記合成音の振幅および
位相の特性を表わす第２の電気信号を発生する誤
差検知機構と、前記入力検知機構、相殺機構およ
び誤差検知機構に接続されて前記第１の電気信号
と前記第２の電気信号との間の音響伝搬遅延を調
整するように作用できる修正確定的アルゴリズム
を用いる少なくとも１つの相殺アダプテイブフイ
ルタを備える電子制御装置を具備する能動音響減
衰装置によつて達成される。
源からダクト内を伝搬する音を相殺音によつて
減衰させるときに、相殺音によつて生ずる定在波
に伴う問題を解決するには、前記能動音響減衰装
置と同様の構成において、電子制御装置が少なく
とも脱結合アダプテイブフイルタ、補償アダプテ
イブフイルタおよび相殺アダプテイブフイルタを
備え、前記脱結合アダプテイブフイルタは前記相
殺音によつて発生されかつ前記入力検知機構によ
つて検知される定在波を表わす前記入力検知機構
によつて発生された前記第１の電気信号の成分を
実質的に除去するように動作可能であり、前記補
償アダプテイブフイルタは前記相殺アダプテイブ
フイルタに導入してその安定動作を確実にするた
めに前記誤差検知機構によつて発生された前記第
２の電気信号の位相特性を調節するように動作可
能であり、前記相殺アダプテイブフイルタは前記
相殺音を発生させるために前記相殺機構を起動し
て制御する出力を発生するように前記音響伝搬遅
延を調整するように使用可能な修正確定的アルゴ
リズムを用いるように構成して目的を達成するこ
とができる。
本発明の装置を一般用語でいえば、物理的シス
テム、電子回路および物理的システムと電子回路
間のカツプリングコンポーネントを含む三つの個
別のコンポーネントからなるものとみなしうる修
正モノポール型能動音響減衰器である。物理的シ
ステムは、所定の源から音波が伝搬するダクト
と、ダクトと一直線に接続された音響ミクサと、
ダクトから一定間隔離れたところで保護囲い内に
配置されたスピーカと、スピーカと音響ミクサと
を接続する導波管とからなる。本発明の能動音響
減衰器の電子回路コンポーネントは、真の適応音
響相殺構成においてWidrow−Roff平均最小二乗
アルゴリズムの修正形を用いる三つの個別のアダ
プテイブフイルタからなる。音響ミクサから上流
側の位置においてダクト内に配置されたマイクロ
ホンアレイと、導波管から下流側の音響ミクサ内
に配置されたマイクロホンとが物理的システムと
電子回路との間のカツプリング機構を形成してい
る。
〔作用〕
本発明の動作の概要を一般的用語で説明すると
以下の通りである。マイクロホンアレイはダクト
内の源音を検知しかつこれを電気信号に変換し、
電気信号を電子回路コンポーネントの中の修正ア
ダプテイブフイルタへデイジタル信号で送る。こ
のアダプテイブフイルタはスピーカを駆動して源
音と180゜位相の異なる相殺音を発生させる信号を
発生し、この相殺音は導波管を通つて音響ミクサ
へ伝搬し、そこで相殺音が源音と結合される。音
響ミクサ内で導波管から下流側の位置に配置され
たマイクロホンは源音と相殺音の結合から生じた
音響を検出し、音響ミクサにおいて達成された減
衰と予設定レベルに基づいた所望の減衰との間の
“誤差”すなわち差異を表わす信号を発生する。
この誤差信号はデイジタル信号に変換されてアダ
プテイブフイルタに導入され、次にアダプテイブ
フイルタはその信号を振幅および位相に関して調
整してスピーカを駆動し、音響ミクサ内へ伝搬す
る相殺音が源音の鏡像にさらに接近する。かくし
て高レベルの減衰が音響ミクサおよび遠方区域の
すべてのところで達成される。
［実施例］ 最初に、雑音の能動減衰を達成するために本発
明において取られたアプローチは先行技術システ
ムの開発において取られたアプローチからかなり
はずれていると考えられることを付言しておく必
要がある。ダクト内の音響の能動減衰のためのシ
ステムのすべての従来既知の設計は課題を全体と
して解決する試みから出発した。このアプローチ
は必然的に主題の記号的数学的処理を必要とし、
それは特定の設計詳細を得ることをぎせいにして
理論的概論に終わりやすい。
本発明は、ダクト内の雑音の減衰のための能動
システムは物理的システム、電子システム（コン
トローラ）および両者間のカツプリングシステム
を含む３つの分離したコンポーネント部分を必要
とするという認識に基づいて、考案設計された。
このアプローチはシステムの並行性およびシステ
ムの性能はどのコンポーネント部分の性質をも超
えることができないという事実を認識するもので
ある。システムの各コンポーネント部分を別個に
開発・試験することにより、結果は従来の経験に
おけるよりもはるかに急速に得られることが見出
された。これは主として、システム動作において
遭遇する問題はシステムの特定コンポーネントに
よつて引起こされるものとしてはるかに容易に識
別され、したがつて当て推量や不必要な改変をな
くしたという事実に起因する。そのような処置は
概念的には明白であると思われるが、能動音響減
衰の分野における進歩は、単に、先行技術の発明
者達が用いたこの問題への過度に複雑なアプロー
チより、少なくともある程度不必要に遅らされた
と考えられる。
物理的システムコンポーネント 次に図面特に第５図を参照すると、本発明の能
動音響減衰器は全体に参照数字１１が付けられて
いる。上述したように、能動減衰器１１は３つの
別個のコンポーネントからなるものとみなされる
ことができ、このセクシヨンにおける説明は主と
して物理的システムコンポーネントに向けられ、
必要に応じて他のコンポーネントを一般的に参照
する。この物理的システムは、特定源からの音響
が伝搬するところのダクト１３と、ダクト１３に
接続された音響ミクサ１５と、相殺音の源である
ところのスピーカ１７と、スピーカ１７と音響ミ
クサ１５とを接続する導波管１９とを含む。
音響ミクサ１５はダクト１３よりもやや大きい
直径を持つものとして示されているが、この幾何
学的関係は能動減衰器１１の適正な性能に対する
要件ではなく、説明と例示の目的で示されている
にすぎない。
先行技術システムよりもすぐれた能動減衰器１
１の直ちにわかる利点の１つは、スピーカ１７が
ダクト１３から遠隔の場所に配置され、細長い導
波管１９によつて音響ミクサ１５に接続され、導
波管１９はダクト１３を通つて流れるダクト粒
子、腐食性物質または他の砕片がスピーカ１７を
損傷するのを防止するためにバルブ機構（図示さ
れていない）を備えうるということである。第１
〜４図に示されているように、先行技術の能動減
衰器のおのおのはスピーカをダクト内に直接に配
置しており、多くの適用において遭遇しうる内部
および外部条件がそれらを急速に損傷または破壊
することになる。スピーカ１７は導波管１９によ
つてダクト１３および音響ミクサ１５の内部環境
から保護されるだけでなく、スピーカ１７をダク
ト１３の外部環境から保護する囲い２１に収容さ
れている。囲い２１は高伝送損を持たねばならず
かつまた吸音性材料でライニングしてもよく、そ
れによりスピーカ１７の出力が導波管１９以外の
方向に伝搬するのをさらに防止する。導波管１９
はダクト１３から完全に分離されていることが理
解されるべきである。すなわち、導波管１９がブ
ランチダクトではないので、メインダクト１３か
らの流れは導波管１９を通して搬送されない。導
波管１９は単にスピーカ１７から相殺雑音を音響
ミクサ１５へ搬送しかつスピーカ１７をダクト１
３の環境から隔離して保護する目的で設けられて
いる。
能動減衰器１１の電子コンポーネントは第５図
には説明の目的のために最も簡単な形態で示され
ている。本発明のエレクトロニクスの詳細な説明
は本発明で利用される完成回路の説明と共に以下
で与えられる。能動減衰器１１の電子コンポーネ
ントの簡素化された形態はアダプテイブフイルタ
２３、増幅器２５、位相修正フイルタ２９および
参照数字３１が全体に付けられたDCループを含
む。
物理的システムと電子システムとを結合する、
本発明のカツプリングコンポーネントは、源音を
検知するために導波管１９の先頭または上流側で
ダクト１３内に配置されたマイクロホンアレイ３
３と、後で明らかになる目的のために導波管１９
から下流側で音響ミクサ１５内に配置されたマイ
クロホン３５とからなる。
一般に、相殺動作モードにおいては、能動減衰
器１１は次のように動作する。広帯域雑音はダク
ト１３に沿つて伝搬し、マイクロホンアレイ３３
で検知され、マイクロホンアレイ３３はアダプテ
イブフイルタ２３へ送られる信号を発生する。ア
ダプテイブフイルタ２３は出力を与えてスピーカ
１７を駆動し、スピーカ１７は相殺雑音を導波管
１９を介して音響ミクサ１５に導入する。音波は
特定位相および周波数のコンプレツシヨン（圧力
最大部分）とレアフアクシヨン（rarefaction）
（圧力最大部分）のシーケンスからなるから、そ
のような波の圧力は、一次音波と振幅が等しくか
つ180゜位相外れしたコンプレツシヨンとレアフア
クシヨンを有する二次波を発生することにより、
低減または相殺することができる。導波管１９か
ら下流側で音響ミクサ１５内に配置されたマイク
ロホン３５は、スピーカ１７で発生された音波が
源音と結合された後源音の減衰または相殺の程度
を検知する。マイクロホン３５からの信号は誤差
信号としてアダプテイブフイルタ２３へ送られ、
この誤差信号は事実上音響ミクサ１５内で達成さ
れた減衰の指示である。アダプテイブフイルタは
動作してその出力を誤差信号の性格に依存して調
整し、その結果スピーカ１７が駆動されて源音と
振幅および180゜位相外れがさらに接近した相殺音
を発生する。
次に第６図を参照すると、能動減衰器１１の最
適動作のための幾何学的要件が示されている。第
６図において、導波管１９は図示のように全ダク
トシステムとみなされうるものの端から位置D1、
D2、D3においてそれぞれ音響ミクサ１５に入つ
ている。下記の方程式(1)に示された関係に従つ
て、導波管１９は、源音がダクトシステムを出る
前に、源音の適正な減衰を達成するために音響ミ
クサ１５の端から特定距離の所に配置されなけれ
ばならないことが見出された。この関係は、 Ｄ＞3l (1) である。
ここで、 Ｄ＝ダクトシステムの端からの導波管１９の距
離 ｌ＝音響ミクサ１５の最大寸法（高さまたは
幅）または円形ダクトの直径 方程式(1)で示された関係は最適減衰が起こると
ころの、ダクトシステムの端からの導波管１９の
物理的配置の限界条件を表現するものである。方
程式(1)は下記のように減衰の式で表わすことがで
きる。
AdB＝βtan ｈ（αl） (2) ここで、 AdB＝デシベルで表わした減衰 β＝特定の幾何学的関係に対する限界最大減衰 ｌ＝特性ダクト寸法 例えば、円形ダクトの直径 正方形ダクトの一辺の長さ 長方形ダクトの最長辺の長さ α＝ゼロ以上の任意数 方程式(2)は、導波管１９の位置が第６図に音響
ミクサ１５の末端として示されているところのダ
クトシステムの端に関して移動させられるとき、
能動減衰器１１で達成される減衰はαlの双曲線正
接（hyperbolic tangent）に従つて変化すること
を示している。上述したように、能動減衰器１１
のシステム性能はそのコンポーネントの任意のも
のの限界よりもよくなることができない。上述し
た物理的システムコンポーネントの幾何学的限界
は、達成されうる総合減衰を最適化するために守
られなければならない。
第５，６図は導波管１９が音響ミクサ１５へ直
角に入るものとして示しているが、これは本発明
の要件ではない。導波管１９が0゜、30゜、45゜、60゜
の角度を含む種々の角度で音響ミクサ１５に対し
て配置されるところの広範な実験が行なわれた。
各場合において、観察された減衰のレベルは導波
管１９が音響ミクサ１５に対して垂直である場合
のものに本質的に等しかつた。本発明のこの特徴
は設置の立場から特に有利である。すなわち、多
くの適用では、導波管１９が90゜以外の角度でダ
クトに導入されることを要求するところのスペー
ス上の制限が予想されるからである。
能動雑音減衰器の主要なみ力の１つは比較的低
い周波数の音響の減衰におけるそれらの有用性で
ある。第８図を参照すると、第５，６図に示され
た形態を有する本発明の物理的システムで可能な
減衰のグラフが示されている。得られた結果は、
方程式(1)、(2)に従つて、導波管１９がダクトシス
テムの端に向つて移動させられるときの減衰の低
下を示している。減衰レベルは実験室環境におい
て127mm×177.8mm（５インチ×７インチ）の寸法
を有するダクト内で観測され、本発明の電子回路
コンポーネントは使用されなかつた。そのような
ものとして、データポイントは上述した物理的シ
ステムで得られる最大減衰レベルを反映してい
る。本発明の電子コンポーネントを使用する実際
の減衰レベルは127mm×177.8mmのダクトおよび広
範囲の寸法を有するダクトで25〜35dBの範囲内
にあることが見出された。減衰レベルのこの低減
は電子システムにおける通常のコンポーネント公
差、近似値および誤差に起因するものであり、最
新式の電子コンポーネントの信号対雑音比は
60dBの程度であるから、その全部が総合システ
ム性能を制限する役割をする。
第８図で観察されるように、第５，６図に示さ
れた本発明の実施態様は第一クロスモードに遭遇
するところの周波数レベルに比較的高い減衰を与
える能力がある。127mm×177.8mmダクトの場合に
は、第一クロスモードはほぼ980Hzで起こる。受
動減衰器を使用してより高い周波数を減衰させう
るが、受動減衰器の大きさ、費用および非能率は
多くの適用においてそれらの使用を制限する。し
かしながら、能動雑音減衰器１１で可能な減衰の
範囲は、第７，７ａ図に示された対称形態に配置
された導波管１９を通して相殺音を導入すること
により、第二クロスモードまでの周波数へ拡張さ
れうることが発見された。第９図は、一対の導波
管１９がダクト１３の両側でこれに平行に導入さ
れているところの第７ａ図に示されたものと本質
的に同一の形態の能動減衰器１１に対するグラフ
を示し、これは第一クロスモードの除去を確かに
するものである。
以下の説明は、相殺音が源音を搬送するダクト
に対称的に導入される場合、第一クロスモードの
排除の理論的理由の短い論考を与える。第７ｂ図
を参照すると、これは第７ａ図に示された本発明
の実施態様の端面図であり、一次ダクト１３の寸
法はａとｂで与えられ、このダクトを通して源音
が伝搬され、対称的に配置された二次ダクト１４
（導波管１９に対応するもの）の寸法はｃとｅで
与えられ、このダクトを通して相殺音が伝搬され
る。源音と相殺音がｚ方向に伝搬すると仮定すれ
ば、ダクト内の任意点（ｘ、ｙ、ｚ０）におけ
る音圧は下記のように表現される。
Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ、ｔ）＝∞ 〓 〓m,n=0 （Ano）（cosmπ／ａｘ cosnπ／ｂｙ）（e-jkzz
)（ej〓t）(3) ここで、 Ano：音源に依存する係数を表示する cosmπ／ａｘ cosnπ／ｂｙ：硬壁ダクトにおける ｘ、ｙ方向の波の伝搬を表示する e-jkzz：ｚ方向の波の伝搬を表示する ej〓t：時間項を表示する 方程式(3)から、通常の解決法を使用すれば、第
一クロスモード以下の音圧は下記のように表現さ
れる。
Ppp＝ρc／ab（U1S1＋U2S2）e-jkzzej〓t (4) ここで、 ρ＝媒質の密度 ｃ＝音の速度 U1＝相殺音の速度振幅 U2＝源音の速度振幅 S1＝速度振幅がU1であるところの面積 S2＝速度振幅がU2であるところの面積 理論的に完全な相殺（Ppp＝０）を達成するた
めには、方程式(4)は、 U1S1＋U2S2＝０ (5) になる。
または、別様に表現すれば、 U1＝−U2S2／S1 (6) 方程式(5)、(6)は相殺源の体積流量が雑音源のも
のと同一の大きさを有しかつ180゜の位相外れがな
ければならないことを示し、これは周知である。
しかしながら、相殺音を源音に対称的に導入する
ことが第一クロスモードに及ぼす効果は驚くべき
ものであり、初めて実験的に見出された。上述し
た理論的考察に基づいて、ダクト内の任意点
（ｘ、ｙ、ｚ０）における圧力は下記の方程式
で与えられることを示すことができる。
Ｐ＝∞ 〓 〓m,n=0 ωρ／kz（Bno）（cosmπ／ａｘ cosnπ／ｂｙ）
（e-jkzz)（ej〓t）(7) 上記方程式(5)、(6)で与えられた平面波の相殺条
件に対し、係数Bnoは通常の技術で同様に示すこ
とができる。すなわち、 Bnp＝２／mπ（U1−U2）〔１＋（−１）m〕sin mπ ｃ／ａ (8) かくして、ｍ＝１およびｎ＝０であるところの
第一クロスモードに対し、ａがｂよりも大きいと
仮定すれば、方程式(8)中の項〔１＋（−１）m〕は
ｍ＝１の場合ゼロに等しくなるからBnp＝０。こ
れは、第７，７ａ図に示された本発明の形態にお
いて、比較的高い音響減衰が達成されるところの
周波数範囲は第一クロスモードの除去によつて実
効的に２倍にされることを示すものである。
タイムシエアリングコンピユータで使用される
技術に類似した技術が、マイクロホンおよびラウ
ドスピーカトランスデユーサ特性の適切な改変と
共に、本発明の電子回路コンポーネントに適用さ
れ、それにより第１０，１１図に示されているよ
うに能動減衰器１１の多段または二重動作を可能
にすることができる。第１０図を参照すると、別
個のマイクロホンアレイ３３、スピーカ１７、導
波管１９およびマイクロホン３５が２つの別個の
ダクト１３に対して設けられ、各ダクトは音響ミ
クサ１５を有している。上述したような、本発明
の単一電子回路コンポーネントが両方のダクト１
３で減衰を達成するために別個の物理的システム
コンポーネントを制御する能力がある。かくし
て、２つの別個のダクトシステムが相互に並列に
運転され、各システムが同一のまたは異なる源音
を搬送するところの適用において、本発明の能動
減衰器１１は単一電子回路コンポーネントにより
両システムにおいて減衰を達成する能力を有す
る。
本発明のこの多段または二重能力の第二の適用
が第１１図に示されている。ある場合には25〜
35dBを超過する減衰レベルを達成することが望
ましい。第１１図の形態は２組のマイクロホンア
レイ３３、スピーカ１７、導波管１９およびマイ
クロホン３５を含み、一方の組が同一ダクト１３
内で他方の組の下流に配置されている。源音がダ
クト１３を通つて伝搬すると、それは上述したよ
うに第一スピーカ１７によつて減衰され、次いで
減衰された源音が同様に第二スピーカ１７によつ
てさらに減衰される。能動減衰器１１の２つの別
個の物理的システムコンポーネントを単一ダクト
１３内に直列に配置することにより、達成される
減衰は加算的になり、最後にダクトシステムを出
る音響のデシベルの顕著な低減を生ずる。この場
合にも、タイムシエアリング技術を使用する本発
明の単一電子回路コンポーネントが２組の物理的
システムコンポーネントを制御する能力がある。
電子回路 本発明の能動音響減衰器１１の第二の主要コン
ポーネントは上述した物理的システムの電子的実
施または制御である。先行技術の簡単な説明は本
発明によつて電子制御回路になされた進歩を理解
するうえで助けとなるであろう。２つの等しくか
つ反対の信号の線型加算は電子的または音響的ゼ
ロを発生するための１つのアプローチとして長い
間認められてきた。現今までに開発された音響相
殺器のいくつかは“等しくかつ反対”原理に基づ
いており、ラウドスピーカで発生された相殺音波
がダクトのような限定空間に導入され、特定源か
らダクトを通つて伝搬する音波によつて発生され
る圧力変動を低減する。最も簡単なモデルにおい
ては、源で発生された信号は単一の回転ベクトル
によつて表わされた純音とみなされる。相殺信号
は所望の減衰を達成するためにある最大許容誤差
内で源を追跡しなければならない。本発明によつ
て認識かつ解決された、このアプローチにおける
重要な問題は、許容振幅および位相誤差が最良の
音響装置でのみ得られる公差内に保持されなけれ
ばならないことである。例えば、20デシベルの減
衰を達成するためには、そのようなシステムのマ
イクロホン、スピーカおよびエレクトロニクスに
おける誤差は振幅で１デシベル、位相で6゜以下で
なければならない。以下に詳述するように、本発
明はフイードバツク原理に基づいた公差緩和技術
を使用してこの問題を克服する。すべてのコンポ
ーネントに正確さを要求する代りに、フイードバ
ツクシステムは性能要求を小数の容易に制御され
る装置に集中する。
最近のいわゆる能動減衰システムの１つは
Chaplinらの米国特許第4122303号に見出され、
このシステムは表面上は“アダプテイブ
（adaptive）”プロセスを使用し、源からの音波と
結合されたときゼロを生ずる能力のある相殺波を
発生する。しかしながら、このシステムを検討す
るとわかるように、その電子回路は真のアダプテ
イブプロセスには移存しないで、試行錯誤アプロ
ーチを必要とし、所望の減衰と実際の減衰との間
の差であるところの誤差信号から一連の連続する
推測値または推定値が作られる。結局のところ、
誤差信号の推測値は予設定値による所望誤差の近
似値に次第に近くなる。試行錯誤法は過度に時間
がかかる（５〜30分の範囲内）だけでなく、プロ
セスが完了された後、より良い結果とより悪い結
果との“システムハンチング”または振動を回避
するためにシステムは手動で止められなければな
らない。さらに、Chaplinらのシステムにおいて
試行錯誤プロセスが開始すると、プロセスを完了
するのに必要な５〜30分内の源音の変化もまた
“システムハンチング”を生ずる。
本発明の電子回路の１つの主要面は、その電子
回路がChaplinらに教示されている試行錯誤アプ
ローチに対比して真のアダプテイブフイルタを利
用する確定的システムであるということである。
これは、本発明の電子回路がそれ自体のパラメー
タを自動的に調整しかつ特定基準に従つてその性
能を最適化しようと努めることを意味する。さら
に、上述したフイードバツク原理を使用すること
により、本発明の電子回路は既知の先行技術シス
テムの多くで使用される音響装置の公差要件にほ
とんど依存しない。実際に、先行技術システムで
使用される音響装置の許容振幅および位相誤差が
振幅で１デシベル、位相で6゜の程度である場合
に、本発明の電子回路は少なくとも10デシベルお
よび45゜の範囲の振幅および位相誤差を許容する
ことができる。公差要件を緩和することにより、
このシステムの設置および保守は普通の熟練度の
技術者で行なわれることができ、能動音響減衰器
１１を種々の適用において商業的に発展性のある
ものにしている。
能動減衰器１１の電子回路は真のアダプテイブ
音響相殺形態のWidrow−Roff LMSアダプテイ
ブアルゴリズムの修正形を利用する。LMSアル
ゴリズムは信号対雑音比改良または雑音低減が単
に電子回路において達成されるところの信号増強
システムで使用されるために設計された。このア
ルゴリズムは、信号または残音低減および／また
は減衰が音響界におけるような固有の遅延を有す
る物理的システムで達成されるべきときに動作を
可能にするために、本発明の回路において顕著に
改変された。Widrow−Roff LMSアルゴリズム
の修正形は原アルゴリズムで固有の信号処理上の
利点を保持し、これらの利点が能動音響相殺問題
に適用されることを可能にする。二次誤差関数の
解決のために他のアダプテイブアルゴリズムが存
在し、これらの多くは音響減衰器において満足な
動作をするように改変されうる。アダプテイブア
ルゴリズムの目的は、以下に詳述するように、減
衰フイルタ問題に最適なまたは最適に近い解決を
見出すことである。本発明に従つて修正された、
そのような他のアルゴリズムはこの機能を達成す
ることができ、本発明の範囲内にあるものとみな
されるべきである。
本発明のアダプテイブフイルタにおけるLMS
アルゴリズムの改変を説明する前に、その動作を
支配する標準LMSアルゴリズムを有するアダプ
テイブフイルタについて説明する。第１２図を参
照すると、標準Widrow−Roff LMSアルゴリズ
ムを使用するアダプテイブフイルタが示されてい
る。アダプテイブフイルタの基本素子はトランス
バーサル（transversal）フイルタ５３として知
られ、第１２図に点線で示されている。トランス
バーサルフイルタ５３は一連の遅延素子とみなす
ことができ、フイルタ出力が遅延出力の加重合計
から誘導される。第１２図において、ｎ個の測定
値Ｓ（ｔ）のセツトがサンプルとして取られてｎ
個のサンプル測定値Ｓ(j)を形成し、ここでｊはサ
ンプルのタイムインデツクスである。第１２図で
３７を付けられた各点はサンプル入力値を構成す
るとみなすことができ、Z-1因子が遅延を表わす。
各サンプル値３７は掛算器３９において対応する
加重係数Ｗ(j)を掛けられ、この加重測定値は加算
器４１に入れられて出力yjを形成し、この出力が
トランスバーサルフイルタ５３の出力である。こ
の出力yjは加算器４３においては所望レスポンス
djと比較されて誤差信号ejを形成する。
トランスバーサルフイルタ５３の動作を制御す
るLMSアルゴリズムの目的は、誤差信号ejを最
小にしかつ所望レスポンスに最もよく整合すると
ころの入力信号の加重合計を見出すように、加重
係数を確定的に得ることである。この目的を達成
するためのウエイトベクトルの変更は二次誤差表
面上の鞍点法（method of steepest descent）
に基づいた推定勾配ベクトルの方向に沿つてなさ
れる。この主題の詳細な処理はRudolph E.
KalmanおよびNicholas Declaris編集のAspects
of Network and System Theoryからの
“Adaptive Filters”と題する、Prof、Bernard
Widrowの論文に見出される。LMSアルゴリズム
のデイジタル実現のブロツク線図表示が第１２図
の右側部分に示され、点線内に収容され、全体が
５５で示されている。デイジタルフオームで示さ
れているが、LMSアルゴリズムおよびトランス
バーサルフイルタのアナログ実現もまた使用され
ることが注目されるべきである。
説明の目的のために、２つだけのサンプル入力
値およびそれらの対応加重機能が図面に示されて
いる。入力Ｓ(j)は掛算器４５へ送られる。誤差信
号ejは、アルゴリズムの収束率および安定性を制
御するスケールフアクタμと共に、掛算器４７に
入れられる。スケールフアクタを掛けられた誤差
信号は次いで掛算器４５において信号Ｓ(j)を掛け
られ、その積が加算器４９およびユニツト遅延器
５１またはCRAM（Coefficient Random Access
Memory）に導入される。ウエイト設定W1（ｊ＋
１）は入力信号Ｓ（ｊ＋１）に対応する可調整ウ
エイト３９へ送り返えされ、その積が次いでトラ
ンスバーサルフイルタ５３の出力の一部を形成す
る。同一の動作がウエイトW2(j)に対応する入力
信号Ｓ（ｊ−１）について行われる。上述したよ
うに、LMSアルゴリズムは、誤差信号から決定
されたウエイト設定が、本質的に無遅延で決定さ
れたところの、入力信号に対応する可調整ウエイ
トへ直接にフイードバツクされうるところの、多
くの適応（アダプテイブ）信号処理適用において
効果的であることが実証された。
第１２図に示された形態では、LMSアルゴリ
ズムおよびトランスバーサルフイルタは音響相殺
問題に使用するのには適していない。ダクトに沿
つて伝搬する音波の減衰は、それと相互作用して
音響ミクサ１５で発生される最高圧力変動を低減
するために等しくかつ反対の信号を必要とする。
２つの波の相互作用は有限の進行長さおよび対応
時間量を必要とする。次に第１３，１４図を参照
すると、能動減衰器１１の物理的システムにおい
て、音波が入力信号が検出されるところのマイク
ロホンアレイ３３から伝搬するために有限時間長
さが要求されることが観察できる。さらに、スピ
ーカ１７で発生された相殺音波が導波管１９を通
つて音響ミクサ１５へ伝搬するために要求される
時間に遅延が存在する。これらの遅延は、ダクト
１３、音響ミクサ１５および導波管１９にわたる
フイート距離を、音の速度である毎秒1100フイー
トで割つたものとして概算されうる。大ていのシ
ステムの予期遅延は数ミリ秒から10分の数秒まで
である。毎秒2000個以上のサンプル採取率を使用
すると、サンプル採取間隔で表現された遅延は数
間隔ないし数百間隔になる。
サンプル採取間隔に換算して表現すると、遅延
は下記のように与えられる。
遅延＝Ｋ（１／サンプル採取率） ここで、Ｋ＝整数定数 Widrow−Roff LMSアルゴリズムは能動減衰
器１１の物理的システムにおける固有遅延を考慮
するために修正され、そのアルゴリズムで決定さ
れた加重係数が、決定されたその加重係数を用い
るトランスバーサルフイルタにおける対応信号入
力と整合させられるようにした。
新入力信号サンプルＳ(j)に対し、対応する加重
係数は下記のように表現される。
W1(j)＝W1（ｊ−１）＋μS〔ｊ−（Ｋ＋１）〕ｅ（ｊ−
１）(10) ここで、μ＝スケールフアクタ ウエイト（加重）の次の値は下記の形式で書く
ことができる。
Wi（ｊ＋１）＝Wi(j)＋μS（ｊ−Ｋ）ｅ(j) (11) ここで、ｉ＝タツプ識別 Ｓ（ｊ−Ｋ）＝通過した入力サンプルＫ間隔 入力信号の各新サンプル値がトランスバーサル
フイルタ５３へ送られると、このフイルタは動作
して第一加重係数と最終入力サンプルとの積を発
生し、この積は第二ウエイトと最終入力サンプル
に最も近いサンプルとの積に加えられ、以下同様
にして最後に最終ウエイトと最も古いサンプルと
の積が集積される。これらの項の全集積がトラン
スバーサルフイルタ５３の出力ｙ(j)である。加重
係数は物理的システムにおける固有遅延を考慮す
るために対応入力サンプルおよび誤差信号によつ
て更新される。第１３図は本発明に係る修正
LMSアルゴリズムのデイジタル実現を示し（Ｋ
＝２の場合、上述した遅延が、対応加重係数、入
力サンプルおよび誤差信号がアダプテイブフイル
タで結合されて出力信号ｙ(j)を発生するように適
応させられている。
次に第５，１４図を参照して、改変Widrow−
Roff LMSアルゴリズムを利用するアダプテイブ
フイルタを含む能動減衰器１１の電子回路につい
て説明する。第５図に示されているような最も簡
素な形態において、能動減衰器１１の電子回路の
基本動作は次のシーケンスによつて説明されう
る。
１ ダクト１３に沿つて伝搬する源音波のサンプ
ルを取る（信号） ２ 信号を遅延させ、ろ過しかつスケーリングす
る ３ 上記段階２の出力でスピーカ１７を駆動して
信号の適正レプリカを注入する ４ 音響ミクサ１５の音響出力を検知する（誤
差） ５ 修正LMSアルゴリズムを使用して段階２を
調整する ６ 段階１へ戻る 第５図に示されたアダプテイブフイルタ２３は
２つの入力と１つの出力からなる３ポート構成で
ある。アダプテイブフイルタ２３は、ダクト１３
内の源音に対応する電子信号であるところの入力
をマイクロホンアレイ３３から受け、出力信号を
発生してスピーカ１７を駆動し、スピーカ１７は
源音の鏡像レプリカを発生し、このレプリカは導
波管１９を通して音響ミクサ１５に導入される。
マイクロホン３５で検知された音響ミクサ１５の
出力は誤差信号としてまたは音響ミクサ１５で得
られた源音とレプリカとの和としてアダプテイブ
フイルタ２３に導入される。
能動減衰器１１の物理的システムに固有の音響
伝搬遅延は問題にしている全周波数範囲にわたつ
て遅延として現われなければならない。この遅延
の位相公差は各周波数においてほぼ±45度であ
る。第５図に示された電子回路のブロツク線図に
は、音響ミクサ１５における音響共振を補償する
ために二次位相修正フイルタ２９が含まれてい
る。フイルタ２９の特性は、特定用途のダクト特
性に基づいて、適切な計器を使用して手動で決定
されなければならない。後述するように、この機
能はアダプテイブフイルタで達成することがで
き、したがつてフイルタ２９の手動校正を解消す
ることができる。
第５図に示された能動減衰器１１のブロツクの
線図には、全体に参照数字３１が付けられたDC
ループもまた設けられている。マイクロホン３５
は音響ミクサ１５からの出力の超長波成分を検出
する能力がなく、超長波成分は、DC成分に加え
て、アダプテイブフイルタ２３のLMSアルゴリ
ズムの安定動作のために必要とされるものであ
る。DCループ３１はDC成分を与えるために含ま
れ、LMSアルゴリズムはそのような入力に適応
するように改変されている。
次に第１４〜１６図を参照すると、能動減衰器
１１の電子コンポーネントの進歩形態が示されて
いる。能動減衰器１１の電子コンポーネントに３
つの分離したアダプテイブフイルタが含まれ、各
アダプテイブフイルタは別個の機能を遂行する。
アダプテイブフイルタのプロセスを説明する前
に、残りの回路素子の機能について説明する。能
動減衰器１１の電子回路のこの実施態様ではアダ
プテイブアルゴリズムのデイジタル実施が使用さ
れている。第１４〜１６図に全体に６３が付けら
れた、アナログ・デイジタルコンバータ（Ａ／
Ｄ）は選択入力のサンプル値をデイジタルフオー
マツトで与える。Ａ／Ｄコンバータは12ビツト逐
次近似法コンバータである。
本発明の電子回路内の信号処理の大部分はデイ
ジタル式であり、Ａ／Ｄコンバータ６３のサンプ
ル採取率は信号および誤差入力の許容帯域幅の上
限界を意味する。サンプル採取率限界は最高入力
周波数がサンプル採取率の半分以下でなければな
らないことを要求する。システム入力の低域フイ
ルタ６５は最高入力周波数をＡ／Ｄサンプル採取
率の半分以下に限定するために要求されている。
デイジタル・アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ６７
からの出力信号もまた周波数エイリアス（alias）
問題を有する。アダプテイブフイルタからの出力
信号はＤ／Ａコンバータ６７の出力の任意のエイ
リアスまたは倍数においてシステム内に共振を励
起しうる。したがつて、最高出力周波数を問題に
している帯域に限定するためにＤ／Ａコンバータ
６７の出力に低域フイルタ６５が必要である。
第１２〜１６図に示された掛算器３９，４５，
４７，６９および累算器または加算器４１，４
３，４９，７１は本発明におけるアダプテイブ処
理に必要な計算を遂行する。TRW Model TDC
1003J12 bit Parallel Multiplier−Accumulator
または適当な同等物は所要の高速計算能力を与え
ることが見出されている。
能動減衰器１１の電子回路コンポーネントで利
用される３つのアダプテイブフイルタの第一のも
のは、第５，１４図に示されているようなアダプ
テイブ相殺フイルタ２３として記述されうる。相
殺アダプテイブフイルタ２３は上述したようにそ
のトランスバーサルフイルタの動作を制御するた
めに改変LMSアルゴリズムを含む。先の説明に
ついて詳細に述べると、位相応答、振幅および遅
延を含む、相殺アダプテイブフイルタ２３の基本
的フイルタ機能は、非回帰的（non−recursive）、
有限インパルス応答形フイルタであるところのト
ランスバーサルフイルタによつて実施される。こ
のフイルタによる実施は本質においてデイジタル
式であり、入力信号ヒストリとタツプウエイトが
等速呼出し記憶装置（RAM）に貯蔵される。上
述したように、トランスバーサルフイルタの動作
は、LMSアルゴリズムから得られた第一ウエイ
トと最終入力サンプルとの積を発生し、この積は
アルゴリズムからの第二ウエイトと最終入力サン
プルに最も近いサンプルとの積に加えられ、以下
同様にして最後に最終ウエイトと最も古いサンプ
ルとの積が集積されるものと記述することができ
る。
方程式では、これは下記のように与えられる。
出力＝i=I 〓i=1 SiWi (12) ここで、 Si＝ｉ番目タツプに対応するサンプル入力信号 Wi＝ｉ番目タツプのウエイト ｉ＝タツプ識別 Ｉ＝タツプ数 相殺アダプテイブフイルタ２３はウエイト調整
が止められたときトランスバーサルフイルタとみ
なすことができる。相殺アダプテイブフイルタ２
３の動作は、適応手段によつて所望フイルタのウ
エイトに対する所要値（すなわち最適フイルタ条
件）を決定し、次いで、トランスバーサルフイル
タ内で決定されたウエイトを用いて所望のフイル
タ機能を実現する。修正LMSアルゴリズムの目
的は相殺アダプテイブフイルタ２３のフイルタ機
能を所望フイルタ機能に整合させることによつて
トランスバーサルフイルタの動作を制御すること
である。
マイクロホン３５で検知され、アダプテイブ相
殺フイルタ２３へ送られた誤差信号は、マイクロ
ホンアレイ３３で検知され、その点からマイクロ
ホン３５までの音響進行によつて遅延された源圧
力波と、スピーカ１７で発生され、導波管１９お
よび音響ミクサ１５を通つてマイクロホン３５に
至る進行で遅延された相殺波との和とみなすこと
ができる。マイクロホンアレイ３３、スピーカ１
７、導波管１９、マイクロホン３５をダクト１３
内で相互の物理的相対位置を決めるときに、マイ
クロホンアレイ３３からマイクロホン３５までの
全遅延または全長は、スピーカ１７からマイクロ
ホン３５までの全遅延または全長と低域フイルタ
６５の動作と関連する遅延との和よりも大きくな
るようにしなければならない。方程式では、この
関係は下記のように表現される（第５図参照）。
Ｔ＞λmin／４＋d1＋d2＋Df （13） ここで、 λnio＝問題にしている最短波長 Ｔ＝マイクロホンアレイ３３とマイクロホン３
５間の距離 d1＝導波管１９からマイクロホン３５までの距
離 d2＝音響ミクサ１５（すなわち、マイクロホン
３５と心を合せて）からスピーカ１７までの距離 Df＝低域フイルタ６５と関連する遅延 低域フイルタ６５の遅延はカツトオフ周波数ま
たはFnaxに換算して表現することができる。四次
低域フイルタ６５はカツトオフ周波数において各
極ごとに45度の遅延を有し、良好なフイルタ設計
では定遅延フイルタに近似する。したがつて、四
次フイルタの遅延は近似的に1/2Fcutpffとすること
ができ、Dfは直列の二組の四次フイルタの場合
に１／Fcutpffにほぼ等しいとみなすことができる。
能動減衰器１１の電子回路コンポーネントに見
出される第二アダプテイブフイルタは、第１４，
１５図に示されているように、脱結合
（uncoupling）アダプテイブフイルタ７５と命名
することができる。多くの能動減衰器と関連する
１つの潜在的問題は、スピーカで導入された相殺
音が源音を検知するマイクロホンまたはマイクロ
ホンアレイに向つて伝搬する結果として、定在波
またはダクトの機械的振動が発生されることであ
る。この結合は下流側に伝搬する源音の信号検知
マイクロホンの推定値に悪影響を及ぼし、相殺シ
ステムの有効性を低減することになる。この問題
を回避する手段として単一指向性マイクロホンが
提案されているが、それらだけではこの固有のシ
ステム制限を克服するのに十分ではない。
脱結合アダプテイブフイルタ７５はこの問題を
下記のように解決する。第１５図に示されている
ように、広帯域雑音源７６が相殺ラウドスピーカ
１７および脱結合アダプテイブフイルタ７５を駆
動する。システムの始動前に、雑音源７６は予期
される源雑音を相殺するために要求される源レベ
ルよりも高い音響レベルでダクト１３を励振する
ように自動的に調整される。このアダプテイブプ
ロセスは誤差加算器の出力を低減しかつ脱結合ア
ダプテイブフイルタ７５内のトランスバーサルフ
イルタの伝達関数をダクト１３内に存在する音響
結合に整合させ、この時点において雑音源７６が
止められる。システムの始動時に、脱結合アダプ
テイブフイルタ７５はラウドスピーカ１７を駆動
することで作動する。マイクロホンアレイ３３か
らの出力に現われるところのラウドスピーカを駆
動して生じた成分は、加算器７１において等しく
かつ反対の像を引くことによつて除去される。引
算過程は脱結合アダプテイブフイルタ７５のデイ
ジタル領域および加算器７１において電子的に達
成される。この処理はスピーカ１７からの出力が
マイクロホンアレイ３３に及ぼす影響を完全には
解消しないが、多くの適用において十分な低減を
得ることができる。
次に第１４，１６図を参照すると、能動減衰器
１１の電子回路コンポーネントの第三アダプテイ
ブフイルタが示されており、これは補償アダプテ
イブフイルタ７９と呼ぶことができる。第５図に
示された基本的電子コンポーネントの説明に関連
して上述したように、改変LMSアルゴリズムの
安定動作を保証するために、相殺アダプテイブフ
イルタ２３の出力と誤差信号の入力との間に補償
機構が直列に設けられなければならない。この補
償機構は第５図に二次位相修正フイルタ２９とし
て示されているが、フイルタ２９の手動校正はア
ダプテイブフイルタによつて達成されうる。補償
アダプテイブフイルタ７９がこの機能を遂行す
る。
第１６図に示されているように、補償アダプテ
イブフイルタ７９、ラウドスピーカ１７、導波管
１９、音響ミクサ１５、マイクロホン３５は相互
に直列に配置されかつ遅延器またはメモリ７８か
らなる広帯域遅延回路と並例に配置されている。
システムの始動前かつ上述した脱結合過程の完了
後、雑音源７６が活性化されてダクト１３および
音響ミクサ１５を励振する。並列信号路の合計は
補償アダプテイブフイルタ７９への誤差入力にな
る。アダプテイブプロセスは直列路の総合伝達関
数を遅延器７８による雑音源７６の真の遅延に整
合させる。このようにして所望フイルタに対する
ウエイトが生成され、相殺アダプテイブフイルタ
２３で受けられる誤差信号は安定動作を保証する
ための適正な位相公差内にある。
第１６図の遅延回路７８は雑音源７６からの信
号を入力サンプル間隔の整数(K)倍だけ遅延させ
る。第１４図のアダプテイブフイルタ２３の
LMSアルゴリズムの修正形は、Wiの次の値の計
算においてＫサンプル間隔の遅延を与える。Ｋの
値はラウドスピーカ１７から第１６図の補償アダ
プテイブフイルタ７９の信号入力までの音響遅延
よりも大きい。Ｋの値は１つの値が多くの適用に
おいて使用されうるように大きく設定することが
できる。第１４図の相殺アダプテイブフイルタ２
３の出力から誤差入力までの遅延を、次のウエイ
ト値の計算に使用されるサンプル信号におけるシ
フトに整合させることにより、修正LMSアルゴ
リズムの安定性が保証される。
〔発明の効果〕
先行技術の能動減衰システムのいくつかの改良
およびそれらからの離脱が上述した物理システム
および電子回路コンポーネントの両方において本
発明でなされた。
本発明が能動減衰方式を採用したことは、ダク
トを伝搬する音響の場合に特に問題となる低周波
領域の音響の減衰を実用可能な規模で効果的に行
うことができるようにしている。
また、音響ミクサを設け、相殺音発生装置をダ
クトから離して設置し、導波管を介して相殺音を
音響ミクサに導入するようにしているので、相殺
音発生装置が温度やダクトの環境内またはダクト
の外側の非保護領域にある粒子やその他の異物に
よつて損傷を受けないようになつている。
電子制御装置では、修正確定的アルゴリズムを
用いる相殺アダプテイブフイルタを用いているの
で、時間的に変化する音響信号における位相変化
の調整、および音響伝搬に伴う信号の遅延の調整
を高速度で行う真の適応減衰処理を可能にしてい
る。
さらに、相殺音によつて上流方向に生ずる可能
性のある定在波に伴う問題を脱結合アダプテイブ
フイルタを採用することによつて解決している。
このような改良の結果として、達成された減衰
と動作の速度および融通性との両方の点からどの
既知の装置のものよりはるかにすぐれた能動減衰
器の性能が得られた。
本発明は好適実施態様に関連して記述された
が、当業者には理解されるように、本発明の範囲
から離脱することなく種々の変更がなされかつそ
の要素に同等物が代用されうる。さらに、多くの
改変が特定状態または材料を本発明の教示にその
本質的範囲から離脱することなく適応させるため
になされうる。したがつて、本発明はこれを実施
するために意図された最良態様として開示された
特定実施態様に限定されるものではなく、本発明
は特許請求の範囲に入るすべての実施態様を包含
するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は先行技術であるLuegのモノポール音
響減衰器システムである。第２図は先行技術であ
るJesselらのトライポールまたはモノポール・ダ
イポール音響減衰器システムである。第３図は先
行技術であるSwinbanksらのダイポール音響減
衰器システムである。第４図は先行技術である
Coxonらのダイポール音響減衰器システムであ
る。第５図は本発明の能動音響減衰器の簡素化形
態の図である。第６図は音響ミクサ内への導波管
の各種導入点を示す本発明の部分図である。第７
図は２つの導波管が音響ミクサに対称的に導入さ
れるところの本発明の別形実施態様である。第７
ａ図は音響ミクサへの導波管の対称的導入の変形
である。第７ｂ図は第７ａ図の７ｂ−７ｂ線に沿
つて取られた部分断面図である。第８図は第６図
に示された本発明の形態で達成された減衰のグラ
フである。第９図は第７ｂ図に示された本発明の
形態で達成された減衰のグラフである。第１０図
は単一電子回路コンポーネントが２つの別個のダ
クト内の物理的システムおよびカツプリングコン
ポーネントと共に使用されているところの本発明
の多段機能を示す。第１１図は二組のマイクロホ
ンアレイ、スピーカ、誤差マイクロホンが単一電
子回路コンポーネントで制御される単一ダクト内
に直列に配置されているところの本発明の多段機
能を示す。第１２図は標準Widrow−Roff LMS
アルゴリズムを備えたアダプテイブフイルタのデ
イジタル実現の部分ブロツク線図である。第１３
図は修正Widrow−Roff LMSアルゴリズムを備
えた本発明のアダプテイブフイルタのデイジタル
実現の部分ブロツク線図である。第１４図は本発
明の電子回路コンポーネントのブロツク線図であ
る。第１５図は本発明の電子回路コンポーネント
の脱結合アダプテイブフイルタのブロツク線図で
ある。第１６図は本発明の電子回路コンポーネン
トの補償アダプテイブフイルタのブロツク線図で
ある。 １１……能動音響減衰器、１３……ダクト、１
５……音響ミクサ、１７……スピーカ、１９……
導波管、２３……アダプテイブフイルタ、２５…
…増幅器、２９……位相修正フイルタ、３１……
DCループ、３３……マイクロホンアレイ、３５
……マイクロホン、３７……サンプル値、３９…
…掛算器、４１……加算器、４３……加算器、４
５……掛算器、４７……掛算器、４９……加算
器、５１……遅延器、５３……トランスバーサル
フイルタ、６３……Ａ／Ｄコンバータ、６５……
低域フイルタ、６７……Ｄ／Ａコンバータ、６９
……掛算器、７１……加算器、７５……脱結合ア
ダプテイブフイルタ、７６……雑音源、７８……
遅延器、７９……補償アダプテイブフイルタ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 源からダクト内を伝搬する音を減衰させる装
    置であつて、前記ダクト内に配設されて、前記源
    の音を検出し、前記源の音の振幅および位相の特
    性を表わす第１の電気信号を発生する入力検知機
    構と、 前記入力検知機構から前記源音の伝搬方向に離
    間した場所で前記ダクトに接続され、前記ダクト
    の延長部分を形成する音響ミクサと、 前記ダクトから遠隔の場所に配設されて相殺音
    を発生する相殺機構と、 前記相殺音を前記音響ミクサに導入して、前記
    源音と結合させるために前記相殺音を前記音響ミ
    クサに接続する導波管機構と、 前記導波管機構より下流で前記音響ミクサ内に
    配設されて前記相殺音と前記源音の合成音を検出
    し、前記相殺音と前記源音の前記合成音の振幅お
    よび位相の特性を表わす第２の電気信号を発生す
    る誤差検知機構と、 前記入力検知機構、相殺機構および誤差検知機
    構に接続されて、前記第１の電気信号と前記第２
    の電気信号との間の音響伝搬遅延を調整するよう
    に作用できる修正確定的アルゴリズムを用いる少
    なくとも一つの相殺アダプテイブフイルタを備え
    る電子制御装置を具備することを特徴とする能動
    音響減衰装置。 ２ 前記入力検知機構が少なくとも一つのマイク
    ロホンを備えている特許請求の範囲第１項記載の
    能動音響減衰装置。 ３ 前記相殺機構が吸音材料でライニングされた
    保護囲い内にある振動機構を含む特許請求の範囲
    第１項記載の能動音響減衰装置。 ４ 前記修正確定的アルゴリズムが修正平均最小
    二乗アルゴリズムである特許請求の範囲第１項記
    載の能動音響減衰装置。 ５ 前記修正確定的アルゴリズムが高速フーリエ
    変換を含む特許請求の範囲第１項記載の能動音響
    減衰装置。 ６ 前記ダクトが末端と最大横寸法をもつ断面領
    域を有し、前記導波管機構が前記ダクトの末端か
    ら前記ダクトの前記最大の横寸法の少なくとも３
    倍の距離だけ間隔をおいている特許請求の範囲第
    １項記載の能動音響減衰装置。 ７ 前記導波管機構が１対の導波管を備え、前記
    １対の導波管は、前記ダクトに垂直にかつ前記ダ
    クトの対向側面に互いに一直線に並んで接続され
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
    記載の能動音響減衰装置。 ８ 前記導波管機構が１対の導波管を備え、前記
    １対の導波管は、前記ダクトに平行にかつ前記ダ
    クトの両側に、前記入力検知機構から前記源音の
    伝搬方向に間隔をおいた場所で接続されているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の能動
    音響減衰装置。 ９ 前記相殺アダプテイブフイルタが多数のフイ
    ルタウエイトを有するトランスバーサルフイルタ
    からなる特許請求の範囲第１項記載の能動音響減
    衰装置。 １０ 前記相殺アダプテイブフイルタは、多数の
    フイルタウエイトを有するトランスバーサルフイ
    ルタを含み、前記相殺アダプテイブフイルタは、
    音響伝搬遅延を調整して前記相殺機構を起動して
    制御するための出力を発生するように前記ウエイ
    トを適応させるアルゴリズムを用いる特許請求の
    範囲第１項記載の能動音響減衰装置。 １１ 源からダクト内を伝搬する音を減衰させる
    装置であつて、前記ダクト内に配設されて、前記
    源の音を検出し、前記源の音の振幅および位相の
    特性を表わす第１の電気信号を発生する入力検知
    機構と、 前記入力検知機構から前記源音の伝搬方向に離
    間した場所で前記ダクトに接続され、前記ダクト
    の延長部分を形成する音響ミクサと、 前記ダクトから遠隔の場所に配設されて相殺音
    を発生する相殺機構と、 前記相殺音を前記音響ミクサに導入して、前記
    源音と結合させるために前記相殺音を前記音響ミ
    クサに接続する導波管機構と、 前記導波管機構より下流で前記音響ミクサ内に
    配設されて前記相殺音と前記源音の合成音を検出
    し、前記相殺音と前記源音の前記合成音の振幅お
    よび位相の特性を表わす第２の電気信号を発生す
    る誤差検知機構と、 前記入力検知機構、相殺機構および誤差検知機
    構に接続されて、前記第１の電気信号と前記第２
    の電気信号との間の音響伝搬遅延を調整するよう
    に作用できる修正確定的アルゴリズムを用いる相
    殺アダプテイブフイルタ、増幅器、位相修正フイ
    ルタおよびDCループ機構を備え、前記増幅器は、
    前記相殺アダプテイブフイルタの出力を受けて前
    記相殺音を発生するように前記相殺機構を駆動
    し、前記位相修正フイルタは、前記誤差検知機構
    によつて発生された前記第２の電気信号の位相特
    性を調節し、前記DCループ機構は、前記相殺ア
    ダプテイブフイルタの安定動作を確実にするため
    に前記相殺アダプテイブフイルタに導入するDC
    信号を与えるようになつている電子制御装置を具
    備することを特徴とする能動音響減衰装置。 １２ 源からダクト内を伝搬する音を減衰させる
    装置であつて、前記ダクト内に配設されて、前記
    源の音を検出し、前記源の音の振幅および位相の
    特性を表わす第１の電気信号を発生する入力検知
    機構と、 前記入力検知機構から前記源音の伝搬方向に離
    間した場所で前記ダクトに接続され、前記ダクト
    の延長部分を形成する音響ミクサと、 前記ダクトから遠隔の場所に配設されて相殺音
    を発生する相殺機構と、 前記相殺音を前記音響ミクサに導入して、前記
    源音と結合させるために前記相殺音を前記音響ミ
    クサに接続する導波管機構と、 前記導波管機構より下流で前記音響ミクサ内に
    配設されて前記相殺音と前記源音の合成音を検出
    し、前記相殺音と前記源音の前記合成音の振幅お
    よび位相の特性を表わす第２の電気信号を発生す
    る誤差検知機構と、 前記入力検知機構、相殺機構および誤差検知機
    構に接続されて少なくとも脱結合アダプテイブフ
    イルタ、補償アダプテイブフイルタおよび相殺ア
    ダプテイブフイルタを備え、前記脱結合アダプテ
    イブフイルタは前記相殺音によつて発生されかつ
    前記入力検知機構によつて検知される定在波を表
    わす前記入力検知機構によつて発生された前記第
    １の電気信号の成分を実質的に除去するように動
    作可能であり、前記補償アダプテイブフイルタに
    導入してその安定動作を確実にするために前記誤
    差検知機構によつて発生された前記第２の電気信
    号の位相特性を調節するように動作可能であり、
    前記相殺アダプテイブフイルタは、前記相殺音を
    発生させるために前記相殺機構を起動して制御す
    る出力を発生するように前記音響伝搬遅延を調整
    するように使用可能な修正確定的アルゴリズムを
    用いている電子制御装置を具備することを特徴と
    する能動音響減衰装置。 １３ 前記導波管機構が１対の導波管を備え、前
    記１対の導波管は、前記ダクトに垂直にかつ前記
    ダクトの対向側面に互いに一直線に並んで接続さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第１２
    項記載の能動音響減衰装置。 １４ 前記導波管機構が１対の導波管を備え、前
    記１対の導波管は、前記ダクトに平行にかつ前記
    ダクトの両側に、前記入力検知機構から前記源音
    の伝搬方向に間隔をおいた場所で接続されている
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の
    能動音響減衰装置。 １５ 前記相殺アダプテイブフイルタは、多数の
    フイルタウエイトを有するトランスバーサルフイ
    ルタを含み、前記相殺アダプテイブフイルタは音
    響伝搬遅延を調整して前記相殺機構を起動して制
    御するための出力を発生するように前記ウエイト
    を適応させるアルゴリズムを用いる特許請求の範
    囲第１２項記載の能動音響減衰装置。 １６ 源からダクト内を伝搬する音を減衰させる
    装置であつて、前記ダクト内に配設されて、前記
    源の音を検出し、前記源の音の振幅および位相の
    特性を表わす第１の電気信号を発生する入力検知
    機構と、 前記入力検知機構から前記源音の伝搬方向に離
    間した場所で前記ダクトに接続され、前記ダクト
    の延長部分を形成する音響ミクサと、 前記ダクトから遠隔の場所に配設されて相殺音
    を発生する相殺機構と、 前記相殺音を前記音響ミクサに導入して、前記
    源音と結合させるための前記相殺音を前記音響ミ
    クサに接続する導波管機構と、 前記導波管機構より下流で前記音響ミクサ内に
    配設されて前記相殺音と前記源音の合成音を検出
    し、前記相殺音と前記源音の前記合成音の振幅お
    よび位相の特性を表わす第２の電気信号を発生す
    る誤差検知機構と、 前記入力検知機構、相殺機構および誤差検知機
    構に接続されて脱結合アダプテイブフイルタ、補
    償アダプテイブフイルタ、相殺アダプテイブフイ
    ルタ、DCループおよび低域フイルタを備え、前
    記脱結合アダプテイブフイルタは前記相殺音によ
    つて発生されかつ前記入力検知機構によつて検知
    される定在波を表わす前記入力検知機構によつて
    発生された前記第１の電気信号の成分を実質的に
    除去するように動作可能であり、前記補償アダプ
    テイブフイルタに導入してその安定動作を確実に
    するために前記誤差検知機構によつて発生された
    前記第２の電気信号の位相特性を調節するように
    動作可能であり、前記相殺アダプテイブフイルタ
    は、前記相殺音を発生させるために前記相殺機構
    を起動して制御する出力を発生するように前記音
    響伝搬遅延を調整するように使用可能な修正確定
    的アルゴリズムを用い、前記DCループはDC信号
    を前記相殺アダプテイブフイルタに導入し、前記
    低減フイルタは、前記第１および第２の電気信号
    の周波数範囲を限定するようにした電子制御装置
    とを具備することを特徴とする能動音響減衰装
    置。
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