JPH0526200B2 - - Google Patents

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JPH0526200B2
JPH0526200B2 JP61007115A JP711586A JPH0526200B2 JP H0526200 B2 JPH0526200 B2 JP H0526200B2 JP 61007115 A JP61007115 A JP 61007115A JP 711586 A JP711586 A JP 711586A JP H0526200 B2 JPH0526200 B2 JP H0526200B2
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Minoru Takahashi
Taku Kuribayashi
Kinichiro Asami
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電子消音システムに係り、特にデイジ
タルフイルタを組み込んだコンピユータシステム
により適応制御を行うことにより、管路等の伝搬
通路内に発生する非定常的騒音の消音を可能とし
た電子消音システムの改良に関する。
〔発明の背景〕
管内騒音に対する消音を管構造による干渉や管
に内貼りした多孔質材による吸音等の現象を利用
して行う受動型消音器は広く実用に供されている
が、消音器のサイズ、圧力損失等の点でその改善
に対する要求が多い。
一方これに対して管内騒音を消音するもう一つ
の方法として古くから提案されていた能動型消音
器、即ち音源から伝搬してきた騒音に対し、同一
音圧、逆位相の付加音を放射し、音波干渉により
消音効果を強制的に生じさせる電子消音システム
が着目されつつある。これは電子デバイス、信号
処理技術等の急速な発達に伴つて、最近様々な観
点からの研究成果が次々と発表されている。
しかしながら、解決すべき多くの問題が山積し
ており、現在ではまた本格的な実用段階には至つ
ていない。
電子消音システムを実用化するための技術課題
はその制御系設計の基礎となるモデルの構築にあ
り、そのモデルは下記の点に対応できることが要
求される、先ず第１の問題は連続スペクトル騒音
の消音用フイルタを形成することである。即ち変
圧器騒音やコンプレツサ騒音のような離散スペク
トクル騒音のみならず自動車騒音や気流騒音のよ
うな連続スペクトル騒音に対しても付加音を発生
させることができれば電子消音システムの用途が
更に拡大する。この実現に当たつては任意の振幅
特性と位相特性が得られるフイルタが必要とな
る。
第２の問題はセンサマイクロホンに対する付加
音の帰還を防止しなければならないという点であ
る。即ち電子消音システムでは音波が伝搬する伝
搬通路内における騒音源と付加音源との間にセン
サマイクロホンが設置され、これにより検出した
音から何等かの手段で騒音源からの伝搬音波を打
ち消す為の音波を放射する付加音源を駆動するた
めの電気信号を作成することが必要となる。この
場合に付加騒音から放射される音波はセンサマイ
クロホンにも捕らえられるために結局、付加音源
とセンサマイクロホンとの間に音響的フイードバ
ツク系が形成されるのでこれに対する対策が必須
となる。特に電子消音システムの小型化し且つダ
クト等の管路の任意の位置に取付け可能に構成す
るためにはセンサマイクロホンと付加音源とを近
接せざるを得ない為にこの音響的フイードバツク
の影響は大きく、これに対する対策が重要とな
る。
更に第３の問題は電子消音システムに用いられ
るマイクロホン、スピーカ等の電気音響変換器の
特性補正を可能にすることである。即ち電子消音
システムの制御機能を安定化させるためには制御
系に電気音響変換器の微小な特性劣化を補正する
機能を持たせることが必須であり、この問題も解
決しなければならない。
従来のこの種の電子消音器にあつては上記の技
術課題については何等解決されておらず、それ故
電子消音システムは実用化されていなかつた。
これに対して我々は後述するように上記問題点
に対応できる単極音源方式（MONOPOLE
SYSTEM）の電子消音システムと双極音源方式
（DIPOLE SYSTEM）の電子消音システムにつ
いてのモデルを解明した。
これらのモデルのうち単極音源方式のシステム
については前述の電子消音システムの実現化する
ための技術課題の第１乃至第３のうち第１、第３
については完全に対応できるものの、第２の問題
であるセンサマイクロフオンに対する付加音帰還
防止に関しては、この帰還を打ち消すための制御
系の構成が複雑になるためにセンサマイクロフオ
ン等の各電気音響変換器の指向性及びこれらの位
置関係の配慮、更には付加音源からセンサマイク
ロフオン側に至る音波の伝搬通路内に吸音材を貼
着する等の消極的な手段のみによらざるをえなか
つた。
また双極音源方式の電子消音システムでは前記
技術課題の第１乃至第３に全てに対応でき、単極
音源方式の電子消音システで第２の問題であるセ
ンサマイクロフオンの付加音の帰還防止を実現す
る場合に比して制御系の構成が簡単になるもの
の、複雑である点は否めない状態にある。
上述したように付加音の帰還を防止する消極的
な手段としてはセンサマイクロフオン等の機械電
気変換手段あるいはスピーカ等の電気機械変換手
段の指向性を改善する方法、センサマイクロフオ
ンと付加音源との間の距離を長くすることにより
付加音のエネルギーを低減する方法等などがあ
る。
しかし、帰還量の大きい低周波騒音の波長は約
数ｍ乃至数十ｍもあり、センサマイクロフオンに
極端な指向性を与えるためには導波管を用いる方
式のみならずマイロフオン・アレイ方式において
もシステムが大型化し、電子消音システムの効果
に一つである消音器の超小型化が図れなくなり、
実用的でなくなるという問題がある。この点はセ
ンサマイクロフオンと付加音源との間の距離を長
くして帰還を抑制する方法を採用した場合にも共
通の問題となる。
また電気機械変換手段の代表であるスピーカに
指向性を与える方法として三個のスピーカを用い
進行波のみを放射する方向性音源を作り出す方式
が提案されているが、制御回路が複雑になる割に
は帰還防止効果が小さく、実用的でないという問
題がある。
以上に述べたように付加音のセンサマイクロフ
オン側への帰還防止は容易なことではないが、こ
の問題を実用的な手段で解決することが要請され
ている。
〔発明の目的〕
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
であり、付加音源である電気機械変換手段から騒
音源からの伝搬音波を検出する機械電気変換手段
への音響的フイードバツクをより簡単な構成で積
極的に抑制することができる電子消音システムの
制御系の設計の基礎となるモデルを解明し、この
モデルに基づいて管路等の伝搬通路などに発生す
る非定常的騒音について高精度の消音を可能とし
た電子消音システムを提供することを目的として
いる。
〔発明の概要〕
本発明は前記目的を達成するために、音波の伝
搬通路内に於ける騒音源からの伝搬音波に対して
逆位相で且つ同一音圧の音波を発生させ、前記伝
搬通路内の所定位置でその音波干渉により消音を
行う電子消音システムにおいて、前記伝搬通路内
の前記所定位置より騒音源側に配設され、該騒音
源からの伝搬音波を検出し電気信号に変換する第
１の機械電気変換手段と、前記伝搬通路内に於け
る第１の機械電気変換手段の配設位置と前記所定
位置との間に設けられ騒音源からの伝搬音波を該
所定位置において打ち消すための音波を放射する
電気機械変換手段と、該電気機械変換手段の配設
位置と前記所定位置との間または該所定位置に設
けられ、該電気機械変換手段及び前記騒音源から
の伝搬音波を検出し電気信号に変換する第２の機
械電気変換手段と、前記第１の機械電気変換手段
の出力信号と第２の機械電気変換手段の出力信号
との差を求める演算手段と、該演算手段の出力信
号を取り込み、与えられた伝達関数に基づいて電
子消音システムの消音量が最大になるように前記
電気機械変換手段に与える駆動信号を作成する駆
動信号作成手段と、該駆動信号作成手段に付与す
べき伝達関数を決定し、該伝達関数を特定する為
の制御パラメータを駆動信号作成手段に設定する
と共に、伝搬通路の伝搬特性の変化及び制御系の
特性変化に応じて前記制御パラメータを修正する
制御手段とを有することを特徴とするものであ
る。
〔発明の実施例〕
以下、添付図面に従つて、本発明に係る電子消
音システムの好ましい実施例について説明する。
具体的な実施例の説明に先立ち、付加音源が単一
である単極音源方式の電子消音システムの原理に
ついて第６図に基づいて説明する。同図において
音波の伝搬通路１内にはセンサマイクロフオン
M1と該センサマイクロフオンM1の設置位置より
下流側には消音効果を評価するためのマイクロフ
オンM2が夫々、設置されている。
更にマイクロフオンM1，M2の間には付加音源
Ｓが設けられている。またセンサマイクロフオン
M1と付加音源との間にはコントローラ２が設け
られている。
上記構成において騒音源からの伝搬音波は先ず
マイクロフオンM1により検出され、電気信号に
変換されてコントローラ２に入力される。
またコントローラ２にはマイクロフオンM2か
らの消音効果を評価するための評価信号３が入力
される。コントローラ２はマイクロフオンM2の
設置位置において付加音源Ｓから放射された消音
用音波と騒音源から伝搬してきた音波との干渉に
よりマイクロフオンM2の出力が零になるような
駆動信号を付加音源Ｓに出力する。このように構
成することによりマイクロフオンM2の設置位置
において騒音源から発せられた音波を消去するこ
とができる。
このような構成の電子消音システムにおいて消
音効果を高めるためには第６図において示す各電
気音響変換器における音の伝搬特性を示す伝達関
数Gd、Gd、Gtの他にマイクロフオンM1，M2、
付加音源Ｓ等の各々の電気音響変換器自体の変換
特性をも考慮したモデルを検討する必要がある。
更にこのように検討されたモデル内の各要素が明
確に定義されていることも必要である。
このような観点から、すでに我々は〔発明の背
景〕の項目で述べた三つの問題点に対応できる単
極音源方式の電子消音システム（第７図）並びに
双極音源方式の電子消音システム（第８図）の制
御系の設計の基礎となるモデルを解明すると共
に、これを実現する具体的な構成を明らかにして
いる。これらの詳細は特願昭60−139293、特願昭
60−139294に記載されているので説明を省略す
る。
本発明は付加音源からセンサマイクロフオン
M1への音響的フイードバツクを容易に抑制する
ことができる、単極音源方式を改良したセンサマ
イクロフオンを二つ備えた、デユアル・センシン
グ・マイクロフオン方式（Dual Sensing
Microphones System）の電子消音システムを提
案するものである。
第１図には本発明に係るデユアル・センシン
グ・マイクロフオン方式の電子消音システムの原
理図が示されている。
同図において第６図に示した単極音源方式の電
子消音システムと構成上異なる点は、音波の伝搬
通路１内において騒音源からの伝搬音波を検出す
る二つのセンサマイクロフオンM1，M1′が付加
音源Ｓを基準にしてその上流側と下流側の位置に
夫々打設置されていることとセンサマイクロフオ
ンM1の出力に対して、他のセンサマイクロフオ
ンのM1′の出力を逆位相にしてこれらの出力信号
を加算回路２０に入力し、該加算回路２０の出力
信号をコントローラ２に入力するように構成した
点である。
ここでHeはコントローラ２の制御特性を示す
伝達関数である。またセンサマイクロフオンM1
の出力、付加音源Ｓの入力、センサマイクロフオ
ンM1′の出力の各端子には電気的に測定可能な評
価点VA，VB，VCが設けられている。この評価点
VA，VB，VCを基準にして伝搬通路１内の音波の
伝搬特性及び各電気音響変換器自体の変換特性を
考慮したモデルを第２図に示す。同図において太
線の矢印は音波の伝搬方向を示し、実線で示され
た矢印は電気信号の流れを示している。
またP1，P2は夫々、伝搬通路１内における下
流方向に伝搬する騒音源からの伝搬音波のマイク
ロフオンM1，M1′の設置位置における音圧、VA，
VB，VCは既述したようにマイクロフオンM1、付
加音源としてのスピーカＳ、マイクロフオン
M1′の夫々に設けられた測定点における電圧であ
る。
更にGdはマイクロフオンM1からマイクロフオ
ンM1′への音波の伝搬特性を示す伝達関数、HM1、
HM1′は伝搬通路１内におけるマイクロフオンM1，
M1′で検出された音波に対する音圧−電圧変換特
性を示す伝達関数である。
またHrは付加音用スピーカＳからセンサマイ
クロフオンM1に至る系の各電気音響変換器自体
の変換特性及び伝搬通路１内の音波の伝搬特性を
含めて表現した伝達関数であり、Htは付加音源
ＳからセンサマイクロフオンM1′に至る系の各電
気音響変換器自体の変換特性及び伝搬通路１内の
音波の伝搬特性を含めて表現した伝達関数であ
る。
ここで低圧したデユアル・センシング・マイク
ロフオン方式では付加音源Ｓからの伝達関数Ht、
Hrが等しくなる位置（簡単には伝搬通路１内に
おいて付加音源Ｓから等距離の位置がこれに相当
する。）に特性の揃つたセンサマイクロフオン
M1，M1′を設置し、センサマイクロフオンM1の
出力に対し、センサマイクロフオンM1′の出力を
逆位相にした状態で加算回路２０に入力し、該加
算回路２０の主力をコントローラ２に入力するよ
うにしている。
このように構成することによりセンサマイクロ
フオンM1により検出される付加音源Ｓからの伝
搬音波は加算回路２０により電気的に消去され、
発振状態は抑制される。
上記したようにデユアル・センシング・マイク
ロフオン方式では単極音源方式の電子消音システ
ムに一つのセンサマイクロフオンと電気回路とし
ては基本的な加算回路を付加するだけで音響的フ
イードバツクを抑制できる優れた特徴をもつてい
ることがわかる。
次に第２図に基づいて騒音源からの伝搬音波を
打ち消すための付加音源Ｓから放射される音波を
発生させるコントローラ２の制御特性を示す伝達
関数Heを導く。
ここでセンサマイクロフオンM1′の設置位置に
おける音圧P2、各測定点における電圧VA，VB，
VCは夫々次式で表される。
P2＝P2・Gd ……(1) VA＝P1HM1＋VBHr ……(2) VB＝（VA−VC）He ……(3) VC＝P2HM1′＋VBHt ……(4) また式(2)、(3)よりVBは次式で表わされる。
VB＝P1HM1・He−Vc・He／１−He・Hr ……(5) 同様に式(4)、(5)よりVCは次式で表される。
VC＝P2HM1′（１−HeHr）＋P1HM1・He・Ht／１−He（
Hr−Ht） ……(6) また式(6)は式(1)を代入して次式のように表すこ
とができる。
VC＝P1〔HM1・He・Ht＋Gd・HM1′（１−He・
Hr）／１−He（Hr−Ht）……(7) ここでVC＝０とするためには式(7)から次式が
成立しなければならない。
He（HM1・Ht・HM1′・Hr＝−Gd・HM1′ ……(8) これにより伝達関数Heは次式で表される。
He＝−Gd・HM1′／HM1／Ht−Gd・HM1′／HM1・Hr……
(9) 式(9)から判かるように伝達関数Heを決定する
ためにはGd・HM1′／HM1・Ht、Hrの各伝達関数
が必要となるが、既述したようにこれらはいずれ
も測定点をVA，VB，VCとして容易に同定可能で
ある。
次に上記したモデルに基づいて構成された本発
明に係る電子消音システムを具体的構成を第３図
に示す。
同図に於いて伝搬通路１内にはセンサマイクロ
ホンM1，M1′が付加音源Ｓを挟んで該付加音源
Ｓから放射される音波の伝搬特性を示す伝達関数
Hr、Htが等価となる位置、例えば付加音源Ｓを
基準として等距離となる位置に配設されている。
更に２８は入出力インターフエースであり、
Ａ／Ｄ変換部２４，２５、Ｄ／Ａ変換部２６から
構成されている。２９は騒音源からの伝搬音波を
打ち消すための音波を放射するスピーカＳにＤ／
Ａ変換部２６を介して出力する駆動信号を作成す
るデイジタルフイルタである。
また制御部３０はセンサマイクロホンM1，
M1′の出力が入力される加算回路２０の出力信号
及び消音効果評価用マイクロホンを兼ねたM1′の
出力信号をＡ／Ｄ変換部２４，２５を介して取り
込み、これらの信号に基づいて、伝搬通路１内に
騒音が存在しない状態に於いて各回路部にテスト
信号を出力し、各電気音響変換器間に於ける伝搬
音波の伝搬特性もしくは各電気音響変換器自体の
変換特性を示す伝達関数を導出したり、又は伝搬
通路１内に騒音が存在する場合にデイジタルフイ
ルタ２９に所定の伝達関数を与える為の制御パラ
メータを設定する。
更に制御部３０は前記制御パラメータを伝搬通
路１内の外乱、例えば空気流の変動等により音波
の伝搬特性の変化及び制御系の特性変化に応じて
修正するように適応制御を行う。
上記構成に於いて先ずデイジタルフイルタ２９
には伝達関数の導出結果から定められた第２図に
示した伝達関数Heに相当する伝達関数を付与す
る為の制御パラメータが制御部３０より設定され
る。この状態に於いて伝搬通路１内に於いて騒音
源より発せられた伝搬音波がマイクロホンM1及
びM1′により検出されると、センサマイクロホン
M1，M1′の出力信号が入力される加算回路２０
からの出力信号は入出力インターフエース２８に
於けるＡ／Ｄ変換部２４を介してデイジタルフイ
ルタ２９、制御部３０にそれぞれ入力される。
制御部３０では伝搬通路１内に於ける外乱によ
る伝搬特性の変化及び各電気音響変換器自体の特
性変化等を考慮してこれらの特性を示す伝達関数
を求め、これらの伝達関数に基づいて消音効果、
即ち騒音源からの伝搬音波とスピーカＳから放射
された音波との干渉状態を検出するマイクロホン
M1′の出力信号が最小になるようにデイジタルフ
イルタ２９に付与すべき伝達関数を決定し、該伝
達関数を特定する為の制御パラメータをデイジタ
ルフイルタ２９に設定する。尚、制御部３０は既
述したように伝搬通路１の伝搬特性の変化及び制
御系の特性変化に応じて前記制御パラメータの修
正を随時行なう。この結果マイクロホンM1及び
M1′により検出された騒音源からの伝搬音波は電
気信号に変換され、加算回路２０、入出力インタ
ーフエース２８に於けるＡ／Ｄ変換部２４を介し
てデイジタルフイルタ２９に入力され、該入力信
号はデイジタルフイルタ２９によつて制御部３０
から与えられた伝達関数に基づいて所定の振幅特
性及び位相特性を有するデイジタル信号に変換さ
れる。該デイジタル信号は入出力インターフエー
ス２８に於けるＤ／Ａ変換部２６によりＤ／Ａ変
換され、スピーカＳの駆動信号としてスピーカＳ
の駆動コイルに印加され、スピーカＳからは騒音
源から発せられた伝搬音波を打ち消す為の音波が
放射される。この結果マイクロホンM1′の設置位
置に於いて音波の干渉により騒音源からの伝搬音
波は消去され、伝搬通路中に於けるマイクロホン
M1′の設置位置より下流側では騒音源からの伝搬
音波は伝搬されることはない。又スピーカＳから
放射された消音用の音波はマイクロホンM1及び
M1′によつても検出され、スピーカＳとマイクロ
ホンM1，M1′との間で音響的フイードバツク系
が形成されるが、既述したように付加音源Ｓから
みて伝達関数が等価な位置にマイクロホンM1，
M1′が配設され、且つマイクロホンM1の出力信
号に対してマイクロホンM1′の出力は逆位相の状
態で加算回路２０で加算される為にスピーカＳか
らサンサマイクロホンM1に伝搬される音波に応
じた電気信号は加算回路２０に於いて消去され、
それ故付加音源としてのスピーカＳからセンサマ
イクロホンM1側への音響的フイードバツクが抑
制され、発振状態は生じない。
次に本発明に係る電子消音システムを実際の空
調ダクト設備に適用した場合の構成を第４図に示
す。同図に示すように空調ダクトの口径は350mm
角であり、電子消音システムは直管ダクト系の途
中に設置した。電子消音システムが設置されるダ
クトの直線区間の距離は2000mmである。また騒音
源としてはターボフアンのフアン騒音を用いた。
上記の実験結果を第５図に示す。同図に於いて
曲線Ａ，Ｂは空調ダクト３２内のマイクロホン
M1′の設置位置に於ける騒音の周波数特性を示
し、曲線Ａは電子消音システムを作動させていな
い状態に於ける周波数特性を、また曲線Ｂは電子
消音システムを作動させた状態に於ける周波数特
性をそれぞれ示している。同図から伴るように60
Hz〜900Hzに於ける広帯域の周波数領域に於いて
最大約35dBの高い消音効果が認められる。
以上に述べたように本実施例によれば簡単な構
成で然も安定に且つ高性能の消音が可能となる。
尚、第３図に示した電子消音システムに於いて
消音量評価用のマイクロホンはセンサマイクロホ
ンM1′と兼用しているがセンサマイクロホン
M1′と新たに別に設けてもよい。
また消音量評価用マイクロホンは伝搬通路外に
設けてもよい。
更に同図では伝搬通路１に於けるスピーカＳと
マイクロホンM1との間の内壁面にグラスウール
等の吸音材を内貼りしていないが、これを内貼り
し、吸音型消音器を兼用するように構成すれば消
音効果はより向上させることができる。
また同図ではマイクロホンM1，M1′は伝搬通
路１内の略、中央部に配設されているが、これは
壁面に配設するように構成してもよい。
〔発明の効果〕
以上に説明したように本発明では音波の伝搬通
路内に於いて、付加音源としての電気機械変換手
段の設置位置を基準にして音波の伝搬方向に該電
気機械変換手段を挟んで音波の伝搬特性を示す伝
達関数が等価となる位置に配設される第１、第２
の機械電気変換手段と、第１の機械電気変換手段
の出力信号と第２の機械電気変換手段の出力信号
を逆位相にした信号とを加算する演算手段とを含
んで構成したので、本発明によれば付加音源であ
る電気機械変換手段から騒音源からの伝搬音波を
検出する機械電気変換手段への音響的フイードバ
ツクを簡単な構成で容易に抑制でき、適応制御に
よる管路等の伝搬通路に発生する広帯域の非定常
的騒音の安定した且つ高精度の騒音を可能とした
電子消音システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係るデユアル・センシング・
マイクロホン方式の電子消音システムの原理図、
第２図は伝搬通路の伝搬特性及び各電気音響変換
器自体の変換特性を考慮した第１図を示した電子
消音システムのモデルを示す説明図、第３図は本
発明に係る電子消音システムの具体的構成を示す
ブロツク図、第４図は本発明に係る電子消音シス
テムを空調設備に設置した状態を示す説明図、第
５図は第４図に示した電子消音システムの適用例
の消音効果を示す特性図、第６図は単極音源方式
の電子消音システムのモデルを示す説明図、第７
図は単極音源方式の電子消音システムの具体的な
構成を示すブロツク図、第８図は双極音源方式の
電子消音システムの構成を示すブロツク図であ
る。 １……伝搬通路、２０……加算回路、２４，２
５……Ａ／Ｄ変換部、２６……Ｄ／Ａ変換部、２
８……入出力インターフエース、２９……デイジ
タルフイルタ、３０……制御部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 音波の伝搬通路内に於ける騒音源からの伝搬
    音波に対して逆位相で且つ同一音圧の音波を発生
    させ、前記伝搬通路内の所定位置でその音波干渉
    により消音を行う電子消音システムにおいて、 前記伝搬通路内の前記所定位置より騒音源側に
    配設され、該騒音源からの伝搬音波を検出し電気
    信号に変換する第１の機械電気変換手段と、 前記伝搬通路内に於ける第１の機械電気変換手
    段の配設位置と前記所定位置との間に設けられ騒
    音源からの伝搬音波を該所定位置において打ち消
    すための音波を放射する電気機械変換手段と、 該電気機械変換手段の配設位置と前記所定位置
    との間または該所定位置に設けられ、該電気機械
    変換手段及び前記騒音源からの伝搬音波を検出し
    電気信号に変換する第２の機械電気変換手段と、 前記第１の機械電気変換手段の出力信号と第２
    の機械電気変換手段の出力信号との差を求める演
    算手段と、 該演算手段の出力信号を取り込み、与えられた
    伝達関数に基づいて電子消音システムの消音量が
    最大になるように前記電気機械変換手段に与える
    駆動信号を作成する駆動信号作成手段と、 該駆動信号作成手段に付与すべき伝達関数を決
    定し、該伝達関数を特定する為の制御パラメータ
    を駆動信号作成手段に設定すると共に、伝搬通路
    の伝搬特性の変化及び制御系の特性変化に応じて
    前記制御パラメータを修正する制御手段とを有す
    ることを特徴とする電子消音システム。
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