JPH08272373A - ダクトの音響インピーダンス制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】実際に使用されるダクトと同様の音響インピー
ダンスを設定できるとともに、ダクト毎に異なる無反射
条件を簡単に実現できるダクトの音響インピーダンス制
御装置を提供する事。 【構成】ダクト１に備えられた音源（２）から伝播する
音波の伝播経路における上流側に設置され音圧誤差検出
を行なうための一対の音響−電気変換器（１２、１２）
と、前記音波の伝播経路における下流側に設置される電
気−音響変換器（１３）と、前記一対の音響−電気変換
器（１２、１２）からの出力に基づいて前記ダクト１の
断面での音響インピーダンスを演算する演算手段（１０
０）と、この演算手段（１００）により演算された音響
インピーダンスが予め設定された目標値になるように前
記電気−音響変換器（１３）を作動させる手段（１０
０）とを具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダクトに備えられたフ
ァン等により発生する音響を計測する試験装置の無反射
端、ダクト端、ダクト壁、吸音ダクトの内張り材、等の
ダクトに係る音響インピーダンスを制御するためのダク
トの音響インピーダンス制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のダクト内のファンによる発生音を
計測する試験装置においては、漸次拡大する形状のダク
トに吸音材を備えた無反射端を設置するように規格で決
められている。

【０００３】図６は、従来のこの種の試験装置における
試験対象のダクト４１およびこのダクト４１に設置され
た無反射端４３の断面図である。図６に示すように、ダ
クト４１内にはファン４２が設置されており、さらにダ
クト４１の先端には無反射端４３が備えられている。こ
の無反射端４３は、断面が漸次拡大するラッパ状の金属
体４３１に吸音材４３２と吸音材４３３とが包囲された
構成となっている。吸音材４３２は無反射端４３の基端
部から先端部にかけ直径が徐々に増大する形状をなして
おり、その直径が最大となる箇所に円筒状をなす吸音材
４３３が備えられている。吸音材４３２は発泡体または
約２４ｋｇ／ｍ³ の密度を有するファイバーグラスから
なり、吸音材４３３は約４８ｋｇ／ｍ³ の密度を有する
ファイバーグラスからなる。また、前記金属体４３１に
おいて吸音材４３２、４３３により包囲されている面の
約５８％程の領域は穴の開けられた状態になっている。
なお直径０．４６ｍのダクト４１に対し、吸音材４３３
の全直径はダクト４１の直径の３倍程にもなり、無反射
端４３の全長は数ｍにおよぶ。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方実際に使用される
ダクトにおいては、ファンによる発生音のためにかなり
複雑な音響インピーダンスになると考えられる。しか
し、上述したような装置による試験方法ではそのような
実際的な状況を実現することは不可能であり、実際と同
じ境界条件でファン等の発生音の試験が行なえない状態
であった。

【０００５】従来のこの種の試験のための無反射端は、
上述したような非常に大がかりな構成となり、その設置
場所や製作に係る価格等の問題で容易に設置できるもの
ではなかった。また現状では、実際に使用されるダクト
の条件と異なるダクトを用いて発生音の試験を行なって
いるので、実際に使用されるダクトに前記無反射端を設
置した条件での発生音響パワーを正しく計測することは
できなかった。

【０００６】そこで、ダクトの複雑な音響的境界条件す
なわち音響インピーダンスを実際に使用されるダクトと
同じように設定でき、無反射端を設置することなくダク
ト毎に異なる無反射条件を簡単に実現できる簡易な試験
設備の実現が必要とされた。

【０００７】本発明の目的は、実際に使用されるダクト
と同様の音響インピーダンスを設定できるとともに、ダ
クト毎に異なる無反射条件を簡単に実現できるダクトの
音響インピーダンス制御装置を提供することにある。

【０００８】

【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、本発明のダクトの音響インピーダンス
制御装置は以下の如く構成されている。 （１）本発明のダクトの音響インピーダンス制御装置
は、ダクトに備えられた音源から伝播する音波の伝播経
路における上流側に設置され、音圧誤差検出を行なうた
めの一対の音響−電気変換器と、前記音波の伝播経路に
おける下流側に設置される電気−音響変換器と、前記一
対の音響−電気変換器からの出力に基づいて前記ダクト
の断面での音響インピーダンスを演算する演算手段と、
この演算手段により演算された音響インピーダンスが予
め設定された目標値になるように、前記電気−音響変換
器を作動させる手段とから構成されている。 （２）本発明のダクトの音響インピーダンス制御装置
は、ダクトに備えられた音源から伝播する音波の伝播経
路における上流側に設置され、音圧誤差検出を行なうた
めの一対の音響−電気変換器と、前記音波の伝播経路に
おける下流側に設置される電気−音響変換器と、前記一
対の音響−電気変換器の出力から入射波音圧と反射波音
圧とを分離計測する計測手段と、予め設定された音響イ
ンピーダンスの目標値から反射率のインパルス応答を演
算する第１の演算手段と、この第１の演算手段にて演算
された反射率のインパルス応答と前記計測手段にて計測
された入射波音圧とから反射波音圧の目標値を演算する
第２の演算手段と、前記計測手段にて計測された反射波
音圧と前記第２の演算手段にて演算された反射波音圧の
目標値との差を誤差信号とし、その誤差信号が最小とな
るように前記電気−音響変換器の出力を適応制御する手
段とから構成されている。

【０００９】

【作用】上記手段（１）（２）を講じた結果、それぞれ
次のような作用が生じる。 （１）本発明のダクトの音響インピーダンス制御装置に
おいては、音波の伝播経路における上流側に設置された
一対の音響−電気変換器にて音圧誤差検出を行ない、そ
の出力に基づいて演算されたダクト断面での音響インピ
ーダンスが予め設定された目標値になるように、音波の
伝播経路における下流側に設置された電気−音響変換器
を作動させるようにしたので、前記目標値をダクトの条
件に設定することにより、実際に使用されるダクトと同
様の音響インピーダンスを設定できるとともに、ダクト
毎に異なる無反射条件を無反射端を設置することなく簡
易な構成で実現できる。 （２）本発明のダクトの音響インピーダンス制御装置に
おいては、一対の音響−電気変換器にて音圧誤差検出を
行ない、その出力から入射波音圧と反射波音圧とを分離
計測し、予め設定された音響インピーダンスの目標値か
ら演算した反射率のインパルス応答と前記入射波音圧と
から反射波音圧の目標値を演算し、分離計測された反射
波音圧と前記目標値との差が最小となるように電気−音
響変換器の出力を適応制御するようにしたので、前記電
気−音響変換器を入射波音圧に合わせて適切に作動させ
ることにより、その断面での音波の反射条件を任意に制
御可能となり、ダクト毎に異なる無反射条件をより適確
に実現できる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係るダクトの音響
インピーダンス制御装置の構成を示す図である。図１に
おいて、１は本実施例で計測の対象となるダクトであ
り、ダクト１内には音源となるファン２が備えられてい
る。また図１において、３、４はダクト１における音響
インピーダンス設定断面を示している。

【００１１】ダクト１の下側面には、音源すなわちファ
ン２から音波伝播経路の下流側に向け順次所定の間隔を
もって検出マイクロホン１１、誤差マイクロフォン１
２，１２、制御スピーカ１３が設置されている。検出マ
イクロホン１１はファン２の発生音より参照信号を検出
するものである。一対の音響−電気変換器である誤差マ
イクロフォン１２，１２は、それぞれが音圧検出を行な
ってその音圧誤差を検出するための一対のマイクロフォ
ンであり、両者は間隔Δｒをもって設置されている。本
実施例では誤差マイクロフォン１２，１２より出力され
る音圧をそれぞれＰ1 、Ｐ2 とする。電気−音響変換器
である制御スピーカ１３は音波伝播経路の下流側から上
流側即ちファン２側へ反射してくる音波を制御するため
のものである。

【００１２】検出マイクロホン１１、誤差マイクロフォ
ン１２，１２、制御スピーカ１３はそれぞれアンプフィ
ルタ２１、２２、２２、２３（および端子ａ、ｂ、ｃ、
ｄ）を介してコントローラ１００に接続されている。検
出マイクロホン１１、誤差マイクロフォン１２，１２か
ら出力される各測定信号は、アンプフィルタ２１、２
２、２２を介してコントローラ１００に入力される。ま
た後述するコントローラ１００からの出力信号はアンプ
フィルタ２３を介して制御スピーカ１３に出力される。

【００１３】コントローラ１００は、当該音響インピー
ダンス制御装置の制御全般やその制御のための各種演算
を行なうものであり、基本的には通常の能動音響制御に
用いられるＦｉｌｔｅｒｅｄ−Ｘ−ＬＭＳアルゴリズム
に従って演算処理を行なう。またコントローラ１００に
は後述するように、外部より目標とする音響インピーダ
ンスＺx(f)が入力される。

【００１４】図２の（ａ）はコントローラ１００内の詳
細なブロック図である。コントローラ１００内のＡ／Ｄ
変換器３１、３２、３２はそれぞれ図１に示すアンプフ
ィルタ２１、２２、２２に接続されており、Ｄ／Ａ変換
器３３はアンプフィルタ２３に接続されている。またＡ
／Ｄ変換器３１には減算器を介してハウリングキャンセ
リングフィルタ１０１（条件によっては不要）、エラー
パス補償フィルタ１０２、適応フィルタ１０３が接続さ
れており、さらにハウリングキャンセリングフィルタ１
０１と適応フィルタ１０３とはＤ／Ａ変換器３３に接続
されている。またエラーパス補償フィルタ１０２と適応
フィルタ１０３とはＬＭＳアルゴリズム部１０４に接続
されており、適応フィルタ１０３のフィルタ係数はＬＭ
Ｓアルゴリズム部１０４によって更新される。一方、Ａ
／Ｄ変換器３２、３２は第１演算部１０５に接続され、
さらに第１演算部１０５は第２演算部１０６に接続され
ている。また第１演算部１０５と第２演算部１０６とは
減算器を介してＬＭＳアルゴリズム部１０４に接続され
ている。

【００１５】本実施例の音響インピーダンス制御装置で
は、上述したように誤差マイクロホン１２、１２対を制
御スピーカ１３より音源すなわちファン２に近い側に設
置して、音波伝搬経路の上流側へ反射してくる音波を制
御する。特に問題となるのはダクト１内を平面波が伝播
する相対的に低周波の領域であるが、入射音波に合わせ
て制御スピーカ（電気−音響変換装置）１３を作動させ
ることにより反射を調節し、音響インピーダンスを目標
通りにする。そして、この誤差マイクロホン１２、１２
にて検出される音圧Ｐ1 、Ｐ2 の二つの信号から、第１
演算部１０５で入射音圧Ｐi 、反射音圧Ｐr を演算す
る。さらに、第２演算部１０６で前記入射音圧Ｐi と目
標として与えられた反射係数ｒx(τ) （図１に示す）と
から反射波の目標値Ｐr ′を演算する。そしてその後、
前記前記反射音圧Ｐr と前記目標値Ｐr ′との差ｅ＝Ｐ
r −Ｐr ′が誤差信号１０７としてＬＭＳアルゴリズム
部１０４に入力する。なお当該音響インピーダンス制御
装置を無反射端として作動させるには、前記目標値Ｐr
′＝０すなわち誤差信号１０７をｅ＝Ｐr −０＝Ｐｒ
として制御を行なえばよい。

【００１６】ダクト１における設定断面３すなわちｘ＝
ｘでの入射音圧Ｐi に対する反射音圧Ｐr の比を周波数
の関数として表わした複素反射率をＲx(f)とすると、そ
の値はｘ＝ｘでの音響インピーダンスＺx(f)を用いて次
式（１）のように表わせる。

【００１７】 Ｒx(f)＝−（１−Ｚx(f)／ρｃ）／（１＋Ｚx(f)／ρｃ） …（１） ρ：気体密度、ｃ：音速 また、入射音圧Ｐi 、反射音圧Ｐr の時刻ｔにおける波
形をＰi(t)、Ｐr(t)とすると、一般に次式（２）で表わ
せる。

【００１８】

【数１】 式（２）でｒx(τ) は反射率Ｒx(f)のインパルスレスポ
ンスであり、次式（３）に示すようにＲx(f)を逆フーリ
エ変換することによって得られる。

【００１９】ｒx(τ) ＝ＦＦＴ^-1（Ｒx(f)） …（３） そこで目標とするＲx(f)が与えられると式（３）で目標
とするｒx(τ) を求め、さらに目標とする反射波の時刻
波形Ｐr ′(t) を計測された入射波の時刻波形Ｐi(t)か
ら次式（４）にて求める。

【００２０】

【数２】

【００２１】一方、上記演算部１０５での入射音圧Ｐi
(t)、反射音圧Ｐr(t)の演算は以下のようになる。誤差
マイクロフォン１２、１２の２点で検出される音圧時刻
波形をＰ1(t)、Ｐ2(t)とすると、ｘ＝ｘでの音圧は、 Ｐx(t)＝（Ｐ1(t)＋Ｐ2(t)）／２ …（５） となり、ｘ＝ｘでの粒子速度は次式（６）に示すように
なる。

【００２２】

【数３】 ここで、Δｒは上述したように一対の誤差マイクロフォ
ン１２、１２の間隔である。また、入射音圧Ｐi(t)、反
射音圧Ｐr(t)は、ｘ＝ｘでの音圧Ｐx(t)、粒子速度Ｕx
(t)から以下のように表わせる。

【００２３】 Ｐi(t)＝（Ｐx(t)＋ρｃＵx(t)）／２ …（７） Ｐr(t)＝（Ｐx(t)−ρｃＵx(t)）／２ …（８） 図２の（ｂ）は、制御スピーカ１３の電気−音響変換器
としての作用および音響インピーダンスとの関係を説明
するための図である。図２の（ｂ）に示すダクト１にお
いて、音響インピーダンス設定位置ｘ＝ｘにおける音圧
をＰx 、粒子速度をＵx 、これらの入射波成分をＰix、
Ｕix、反射波成分をＰrx、Ｕrxとし、制御スピーカ１３
が設置された位置ｘ＝０において、それぞれ音圧Ｐ0 、
粒子速度Ｕ0 、入射波成分Ｐi0、入射波成分Ｕi0、反射
波成分Ｐr0、反射波成分Ｕr0とすると、以下の式（９）
〜（１４）ようになる。

【００２４】 Ｐx ＝Ｐix＋Ｐrx …（９） Ｕx ＝Ｕix＋Ｕrx＝Ｐix／ρｃ−Ｐrx／ρｃ …（１０） ρ：密度、ｃ：音速 Ｐ0 ＝Ｐi0＋Ｐr0 …（１１） Ｕ0 ＝Ｕi0＋Ｕr0＝Ｐi0／ρｃ−Ｐr0／ρｃ …（１２） Ｐix＝Ｐi0ｅ^-ikx …（１３） k ：波数 Ｐrx＝Ｐr0ｅ^ikx …（１４） ｘ＝ｘにおける目標の音響インピーダンスをＺx とする
と、 Ｚx ＝Ｐx ／Ｕx ＝（Ｐix＋Ｐrx）／（Ｐix／ρｃ−Ｐrx／ρｃ） ＝ρｃ（１＋ｒx ）／（１−ｒx ） …（１５） となる。ここで、ｘ＝ｘでの反射率は、 ｒx ＝Ｐrx／Ｐix＝Ｐr0ｅ^ikx ／Ｐi0ｅ^-ikx＝ｒ0 ｅ^2ikx …（１６） ｘ＝０での反射率は、 ｒ0 ＝Ｐr0／Ｐi0＝ｒx ｅ^-2ikx …（１７） となる。また、 ｒx ＝−（１−Ｚx ／ρｃ）／（１＋Ｚx ／ρｃ） …（１８） となる。一方、式（１２）から、 Ｕ0 ＝Ｐi0／ρｃ（１−ｒ0 ） ＝Ｐixｅ^ikx ／ρｃ（１−ｒx ｅ^-2ikx ） ＝Ｐix／ρｃ（ｅ^ikx −ｒx ｅ^-ikx） …（１９） となる。よって目標とするｘ＝ｘでの音響インピーダン
スＺx を決めると、式（１８）からｒx が決まり、計測
される入射音圧Ｐixに応じて式（１９）で与えられるＵ
0 のように、制御スピーカ１３のダイヤグラムを作動さ
せればよい。つまり、式（１９）の関係をもって制御ス
ピーカ１３を作動させることにより、ｘ＝ｘ点での音響
インピーダンスを、目標通りＺx とすることが可能とな
る。

【００２５】なお図２の（ａ）では、通常の適応制御ア
ルゴリズムが使えるように検出マイクロホンを設置して
参照信号を検出するが、ファンの回転に同期した音に対
しては回転パルスを参照してもよい。また、ファンの回
転に同期した音や狭帯域ランダム音の制御の場合は、音
圧Ｐ1 またはＰ2 のうちどちらかをハウリングキャンセ
ラーを働かせた上で参照信号としてもよい。さらに、音
源がスピーカである場合は、そのスピーカへ入力する信
号を分岐して参照信号とすればよい。

【００２６】図３〜図５は本発明の音響インピーダンス
制御装置を実際のダクトに適用して得られた結果を示す
図である。図３は音響インピーダンス制御装置を作動し
ない場合、図４は無反射端条件を設定した場合、図５は
完全剛壁端を設定した場合の音圧反射率と音響インピー
ダンスとを示している。図３〜図５における（ａ）に示
す音圧反射率、（ｂ）に示す音響インピーダンスとも、
周波数に対する複素関数であり、その複素量を周波数ご
とに振幅（Ｇａｉｎ）、位相（Ｐｈａｓｅ）で表わした
グラフである。

【００２７】図３に示すように、当該音響インピーダン
ス制御装置を作動しない場合本来のダクトの特性がその
まま表わされている。また図４に示すように、無反射端
条件を設定した場合、結果として反射率のゲインが制御
した周波数範囲でほぼ０になっており、目標どおりの無
反射条件の制御が行なわれている。さらに図５に示すよ
うに、完全剛壁端を設定した場合、結果として反射率の
ゲインが制御した周波数範囲でほぼ“１”であり、目標
どおり完全反射条件が成り立っている。

【００２８】（実施例のまとめ）実施例に示された構成
および作用効果をまとめると次の通りである。 ［１］実施例に示されたダクトの音響インピーダンス制
御装置は、ダクト１に備えられた音源（２）から伝播す
る音波の伝播経路における上流側に設置され、音圧誤差
検出を行なうための一対の音響−電気変換器（１２、１
２）と、前記音波の伝播経路における下流側に設置され
る電気−音響変換器（１３）と、前記一対の音響−電気
変換器（１２、１２）からの出力に基づいて、前記ダク
ト１の断面での音響インピーダンスを演算する演算手段
（１００）と、この演算手段（１００）により演算され
た音響インピーダンスが予め設定された目標値になるよ
うに前記電気−音響変換器（１３）を作動させる手段
（１００）とから構成されている。

【００２９】このように上記ダクトの音響インピーダン
ス制御装置においては、音波の伝播経路における上流側
に設置された一対の音響−電気変換器（１２、１２）に
て音圧誤差検出を行ない、その出力に基づいて演算され
たダクト断面での音響インピーダンスが予め設定された
目標値になるように、音波の伝播経路における下流側に
設置された電気−音響変換器（１３）を作動させるよう
にしたので、前記目標値をダクト１の条件に設定するこ
とにより、実際に使用されるダクト１と同様の音響イン
ピーダンスを設定できるとともに、ダクト１毎に異なる
無反射条件を無反射端を設置することなく簡易な構成で
実現できる。 ［２］実施例に示されたダクトの音響インピーダンス制
御装置は、ダクト１に備えられた音源（２）から伝播す
る音波の伝播経路における上流側に設置され、音圧誤差
検出を行なうための一対の音響−電気変換器（１２、１
２）と、前記音波の伝播経路における下流側に設置され
る電気−音響変換器（１３）と、前記一対の音響−電気
変換器（１２、１２）の出力から入射波音圧と反射波音
圧とを分離計測する計測手段（１０５）と、予め設定さ
れた音響インピーダンスの目標値から反射率のインパル
ス応答を演算する第１の演算手段と、この第１の演算手
段にて演算された反射率のインパルス応答と前記計測手
段（１０５）にて計測された入射波音圧とから反射波音
圧の目標値を演算する第２の演算手段（１０６）と、前
記計測手段（１０５）にて計測された反射波音圧と前記
第２の演算手段（１０６）にて演算された反射波音圧の
目標値との差を誤差信号とし、その誤差信号が最小とな
るように前記電気−音響変換器（１０３）の出力を適応
制御する手段（１００）とから構成されている。

【００３０】このように上記ダクトの音響インピーダン
ス制御装置においては、一対の音響−電気変換器（１
２、１２）にて音圧誤差検出を行ない、その出力から入
射波音圧と反射波音圧とを分離計測し、予め設定された
音響インピーダンスの目標値から演算した反射率のイン
パルス応答と前記入射波音圧とから反射波音圧の目標値
を演算し、分離計測された反射波音圧と前記目標値との
差が最小となるように電気−音響変換器（１３）の出力
を適応制御するようにしたので、前記電気−音響変換器
（１３）を入射波音圧に合わせて適切に作動させること
により、その断面での音波の反射条件を任意に制御可能
となり、ダクト１毎に異なる無反射条件をより適確に実
現できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、実際に使用されるダク
トと同様の音響インピーダンスを設定できるとともに、
ダクト毎に異なる無反射条件を簡単に実現できるダクト
の音響インピーダンス制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る、ダクトの音響インピ
ーダンス制御装置の構成を示す図。

【図２】本発明の一実施例に係る図であり、（ａ）はコ
ントローラ内の詳細なブロック図、（ｂ）は制御スピー
カの電気−音響変換器としての作用および音響インピー
ダンスとの関係を説明するための図。

【図３】本発明の一実施例に係る、音響インピーダンス
制御装置を適用した結果を示す図。

【図４】本発明の一実施例に係る、音響インピーダンス
制御装置を適用した結果を示す図。

【図５】本発明の一実施例に係る、音響インピーダンス
制御装置を適用した結果を示す図。

【図６】従来のダクト内のファンによる発生音を計測す
る試験装置を示す図。

【符号の説明】

１…ダクト ２…ファン ３…音響インピーダンス設定断面 ４…音響インピー
ダンス設定断面 １１…検出マイクロホン １２…誤差マイク
ロフォン １３…制御スピーカ ２１…アンプフィ
ルタ ２２…アンプフィルタ ２３…アンプフィ
ルタ １００…コントローラ １０１…ハウリングキャンセリングフィルタ １０２…エラーパス補償フィルタ １０３…適応フィ
ルタ １０４…ＬＭＳアルゴリズム部 １０５…第１演算
部 １０６…第２演算部 １０７…誤差信号 １０８…参照信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダクトに備えられた音源から伝播する音波
   の伝播経路における上流側に設置され、音圧誤差検出を
   行なうための一対の音響−電気変換器と、 前記音波の伝播経路における下流側に設置される電気−
   音響変換器と、 前記一対の音響−電気変換器からの出力に基づいて前記
   ダクトの断面での音響インピーダンスを演算する演算手
   段と、 この演算手段により演算された音響インピーダンスが予
   め設定された目標値になるように、前記電気−音響変換
   器を作動させる手段と、 を具備したことを特徴とするダクトの音響インピーダン
   ス制御装置。
2. 【請求項２】ダクトに備えられた音源から伝播する音波
   の伝播経路における上流側に設置され、音圧誤差検出を
   行なうための一対の音響−電気変換器と、 前記音波の伝播経路における下流側に設置される電気−
   音響変換器と、 前記一対の音響−電気変換器の出力から入射波音圧と反
   射波音圧とを分離計測する計測手段と、 予め設定された音響インピーダンスの目標値から反射率
   のインパルス応答を演算する第１の演算手段と、 この第１の演算手段にて演算された反射率のインパルス
   応答と前記計測手段にて計測された入射波音圧とから、
   反射波音圧の目標値を演算する第２の演算手段と、 前記計測手段にて計測された反射波音圧と前記第２の演
   算手段にて演算された反射波音圧の目標値との差を誤差
   信号とし、その誤差信号が最小となるように前記電気−
   音響変換器の出力を適応制御する手段と、 を具備したことを特徴とするダクトの音響インピーダン
   ス制御装置。