JP4922773B2

JP4922773B2 - 騒音低減装置

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Publication number: JP4922773B2
Application number: JP2007014038A
Authority: JP
Inventors: 立美中島
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2012-04-25
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Description

この発明は、騒音低減装置に係り、特に、能動制御により騒音を低減する能動制御型の騒音低減装置に関する。

従来、道路交通騒音、鉄道騒音について環境基準が定められており、基準を満たさない道路建設や、基準を満たさない高速車両の運行は認められない。

このような背景から防音壁開発が盛んに行われると共に、防音壁からの回折音を能動制御により低減するアクティブ・ノイズ・コントロール（ＡＮＣ：ＡｃｔｉｖｅＮｏｉｓｅＣｏｎｔｒｏｌ）の技術開発が行われている。

ＡＮＣ技術として、点音源を直線状に複数配置して有限長の制御音源を構成し、この制御音源から正面及び斜め方向に制御音を放射して、制御音源の長さ方向の幅の範囲において騒音を低減する騒音低減装置が知られている（特許文献１）。
特開２００６−１３８１３０

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、長さＬの有限長の制御音源から長さ方向と直角の方向に制御音を放出するため、騒音を低減できる範囲が制御音源の幅Ｌの範囲に限られてしまうため、騒音源から円状に拡散する騒音を広い範囲で低減することができない、という問題がある。また、騒音源が指向性を有している場合には、対応することができない、という問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、騒音源からの騒音が指向性を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる騒音低減装置を提示することを目的とする。

上記の目的を達成するために第１の発明に係る騒音低減装置は、低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数に対応する波長の１／２に相当する長さ以下の間隔で配列された複数のスピーカを備えたスピーカユニットと、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するマイクロホンと、前記音響信号に基づいて、前記スピーカユニットから前記騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する生成手段と、前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記低減信号を、前記騒音源と遅延させた低減信号に基づいた制御音を放音する前記複数のスピーカとの距離の各々に応じた時間だけ各々遅延させる処理を行う処理手段と、前記処理手段で処理された信号を前記複数のスピーカの各々に入力する入力手段と、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する指向性算出手段と、前記指向性算出手段によって算出された指向性に基づいて、前記複数のスピーカから放音される制御音の指向性と前記騒音源からの騒音の指向性とが同じになるように、前記複数のスピーカの各々から放音される制御音の大きさを補正する補正手段とを含んで構成されている。

第１の発明に係る騒音低減装置によれば、マイクロホンによって、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力し、生成手段によって、音響信号に基づいて、スピーカユニットから騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する。

そして、処理手段によって、スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、低減信号を、騒音源と遅延させた低減信号に基づいた制御音を放音する複数のスピーカとの距離の各々に応じた時間だけ各々遅延させる処理を行う。

また、指向性算出手段によって、音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出する。そして、補正手段によって、指向性算出手段によって算出された指向性に基づいて、複数のスピーカから放音される制御音の指向性と騒音源からの騒音の指向性とが同じになるように、複数のスピーカの各々から放音される制御音の大きさを補正する。

そして、入力手段によって、処理手段で処理された信号を複数のスピーカの各々に入力し、スピーカユニットの複数のスピーカによって、制御音を放音する。このとき、放音された各制御音が合成された音波の波面の包絡面が、騒音の波面に相当すると共に、複数のスピーカから放音される制御音の指向性と騒音源からの騒音の指向性とが同じになるため、制御音によって騒音が低減される。

このように、騒音源の指向性に基づいて、複数のスピーカから放音された制御音の指向性と騒音の指向性とが同じになるように、制御音の大きさを補正すると共に、低減信号に基づいて複数のスピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、各スピーカに入力する低減信号を遅延させて、制御音を各スピーカから放音させることにより、騒音源からの騒音が指向性を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

第１の発明に係る騒音低減装置は、複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、複数のスピーカの各々に対する所定位置において、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、指向性算出手段は、マイクロホンによって出力された音響信号及びスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。これにより、騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。

また、第１の発明に係る騒音低減装置は、複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、指向性算出手段は、マイクロホンによって出力された音響信号及び複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。これにより、騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。

また、第１の発明に係る騒音低減装置は、騒音源からの騒音の位相差を算出する位相差算出手段と、位相差算出手段によって算出された位相差に基づいて、スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、処理手段によって遅延される時間を補正する遅延時間補正手段とを更に含むことができる。これにより、騒音源からの騒音が位相差を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、この騒音低減装置は、複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、複数のスピーカの各々に対する所定位置において、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、位相差算出手段は、マイクロホンによって出力された音響信号及びスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。これにより、騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。

また、この騒音低減装置は、複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、位相差算出手段は、マイクロホンによって出力された音響信号及び複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。これにより、騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。

第２の発明に係る騒音低減装置は、低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数に対応する波長の１／２に相当する長さ以下の間隔で配列された複数のスピーカを備えたスピーカユニットと、騒音源の振動を検出し、検出した振動に対応する振動信号を出力する振動検出手段と、前記振動信号に基づいて、前記スピーカユニットから前記騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する生成手段と、前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記低減信号を、前記騒音源と遅延させた低減信号に基づいた制御音を放音する前記複数のスピーカとの距離の各々に応じた時間だけ各々遅延させる処理を行う処理手段と、前記処理手段で処理された信号を前記複数のスピーカの各々に入力する入力手段と、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する指向性算出手段と、前記指向性算出手段によって算出された指向性に基づいて、前記複数のスピーカから放音される制御音の指向性と前記騒音源からの騒音の指向性とが同じになるように、前記複数のスピーカの各々から放音される制御音の大きさを補正する補正手段とを含んで構成されている。

第２の発明に係る騒音低減装置によれば、振動検出手段によって、騒音源の振動を検出し、検出した振動に対応する振動信号を出力し、生成手段によって、振動信号に基づいて、スピーカユニットから騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する。

第２の発明に係る騒音低減装置は、複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、複数のスピーカの各々に対する所定位置において、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、指向性算出手段は、振動検出手段によって出力された振動信号及びスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。これにより、騒音源の振動に対応する振動信号及び騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。

また、第２の発明に係る騒音低減装置は、複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、指向性算出手段は、振動検出手段によって出力された振動信号及び複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。これにより、騒音源の振動に対応する振動信号及び騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出することができる。

また、第２の発明に係る騒音低減装置は、騒音源からの騒音の位相差を算出する位相差算出手段と、位相差算出手段によって算出された位相差に基づいて、スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、処理手段によって遅延される時間を補正する遅延時間補正手段とを更に含むことができる。これにより、騒音源からの騒音が位相差を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、この騒音低減装置は、複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、複数のスピーカの各々に対する所定位置において、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、位相差算出手段は、振動検出手段によって出力された振動信号及びスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。これにより、騒音源の振動に対応する振動信号及び騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。

また、この騒音低減装置は、複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、位相差算出手段は、振動検出手段によって出力された振動信号及び複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。これにより、騒音源の振動に対応する振動信号及び騒音源からの騒音に対応する音響信号に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出することができる。

また、上記のスピーカユニットの複数のスピーカを、壁上に設けることができる。

以上説明したように、本発明の騒音低減装置によれば、騒音源の指向性に基づいて、複数のスピーカから放音された制御音の指向性と騒音の指向性とが同じになるように、制御音の大きさを補正すると共に、低減信号に基づいて複数のスピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、各スピーカに入力する低減信号を遅延させて、制御音を各スピーカから放音させることにより、騒音源からの騒音が指向性を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本実施の形態では、防音壁がない自由音場において、指向性を有する騒音を低減する騒音低減システムに本発明を適用した場合について説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態に係る騒音低減システム１０は、複数のスピーカ１２が１列に配列されたスピーカユニット１４と、スピーカ１２から放音される制御音を制御するための制御ブロック１６と、制御ブロック１６から出力された信号を増幅して各スピーカ１２に入力する複数のパワーアンプ３６と、騒音源の近傍に設置され、かつ、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するセンサーマイク１８と、音響信号を増幅するマイクアンプ２０と、マイクアンプ２０から出力される信号に対して、逆フィルタリングをかけて低減信号を生成して制御ブロック１６に出力する生成手段としての逆フィルタＤＳＰ２２と、制御点に設置され、かつ、逆フィルタＤＳＰ２２にフィードバックするためのエラーマイク２４と、各スピーカ１２に近接して設けられたスピーカ近接マイク３８と、所定の信号処理を行う補正手段としての信号処理部４０とを備えている。なお、制御点については、騒音源からの音波が球面波伝播しているため、スピーカユニット１４から騒音源と反対側であれば、どこでもよい。また、パワーアンプ３６は、本発明の入力手段に相当する。

スピーカユニット１４では、複数のスピーカ１２が直線状に配列されており、スピーカ１２は、制御ブロック１６によって低減対象となる騒音の周波数帯域の最大周波数以下の周波数帯域の音を放音するように制御される。

また、複数のスピーカ１２は等間隔で配置され、間隔ｄは、以下の式で示されるように、騒音の周波数帯域のうち、低減対象となる周波数帯域の最大中心周波数Ｆｍａｘの音の波長λの１／２以下とする。
ｄ≦λ／２

例えば、Ｆｍａｘ＝５００ｋＨｚの場合、音速ｃを３４０ｍ／ｓとすると、間隔ｄは０．３４ｍとなる。なお、スピーカ１２の間隔ｄは、λ／２以下であればよく、また、低減対象となる騒音の周波数帯域の最大中心周波数Ｆｍａｘがより高い周波数Ｆｍａｘｈに変化し、間隔ｄがλｍａｘｈ／２（λｍａｘｈ＝ｃ／Ｆｍａｘｈ）よりも大きくなった場合には、図２に示すように、スピーカ１２の配列位置に沿ってレール１３を敷設することによってスピーカ移動手段を設けてスピーカの各々を移動可能にし、レール１３と各スピーカ１２との間に設けた自走用の車輪及び電動モータから構成される台車１５によって、周波数Ｆｍａｘｈに対する間隔ｄがλｍａｘｈ／２以下となるように各スピーカ１２を移動させればよい。なお、電動モータ等の機械的手法でなく、手動によってスピーカ１２を移動させてもよい。

逆フィルタＤＳＰ２２は、マイクアンプ２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２６と、フィルタ係数が予め設定された時不変の逆フィルタ２８とを備えている。逆フィルタ２８のフィルタ係数は、陽解法及びＬＭＳ法の何れかによって決定され、Ａ／Ｄ変換器２６から出力された信号に対して、同振幅かつ逆相の信号を出力する。

また、制御ブロック１６には、ｎ個のスピーカ１２の各々に対して、スピーカ１２の配列順序に応じて信号を遅延させる遅延回路３０、及びデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器３４が複数設けられている。

遅延回路３０は、スピーカ１２の仮想音源が騒音源を中心とした円弧状に配列されるように、スピーカ１２に入力する信号を遅延させる。スピーカ１２の各々に入力される信号の遅延時間は、信号処理部４０によって以下のように決定される。

まず、音波情報に基づいて、騒音源の位置を以下のように求める。センサーマイク１８とスピーカ近接マイク３８（Ｍｉ、本例ではｉ＝１、２、・・・９）とに入射する騒音源からの２つ音波ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）のクロススペクトルΦ_ｘｙ（ω）の逆フーリエ変換である相互相関関数φ_ｘｙ（τ）を求める。

相互相関関数φ_ｘｙ（τ）は以下のように表される。時間の関数ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）について自己相関関数は

と表され、相互相関関数は

と表される。ここで、φ_ｘｘ（τ）、φ_ｘｙ（τ）をフーリエ変換すると、パワースペクトルは、

と表され、クロススペクトルは、

と表される。また、系のインパルス応答をｈ（ｔ）とし、その伝達関数をＨ（ω）とすると、

となる。また、周波数領域では以下のように表される。

上記（６）式で表される相互相関関数φ_ｘｙ（τ）は、センサーマイク１８を時間軸ゼロ（基点）として、騒音がセンサーマイク１８からスピーカ近接マイク３８（Ｍｉとする）に到達するまでに要する時間Ｔｉである。ここで、スピーカ近接マイク３８からセンサーマイク１８までの間の距離をｄｉとし、ｃを音速とすると、以下の式で表される。
Ｔｉ＝ｄｉ／ｃ

従って、センサーマイク１８からスピーカ近接マイク３８までの間の距離ｄｉは、ｄｉ＝Ｔｉ×ｃとなるため、スピーカ近接マイク３８の各々を円の中心として、半径ｄｉの円弧を描いて、円弧が交わる点を騒音源の位置として特定する。

なお、Ｔｉの最小時間Ｔｍｉｎとなるときのスピーカ近接マイク３８の位置が、騒音源に最も近い位置であり、センサーマイク１８から最も近いスピーカ近接マイク３８までの距離をＲとすると、距離Ｒは、以下の式で表される。
Ｒ＝Ｔｍｉｎ・ｃ

そして、図３に示すように、センサーマイク１８から最も近いスピーカ１２を、仮想配置の円弧状配列スピーカ群の中心スピーカとし、図４に示すように、中心スピーカを基準としたときの遅延時間Δを以下の（９）式により算出する。

Δ＝｛（Ｒ^２＋Ｄ_±ｉ ^２）^１/２−Ｒ｝／ｃ・・・（９）

騒音源の位置が移動したときには、上記の式に基づいて、各スピーカ１２について遅延時間Δを算出し、各スピーカ１２に対応する遅延回路３０に設定する遅延時間Δを補正する。これにより、遅延回路３０の各々は、移動した騒音源とスピーカ１２との距離に応じて算出された遅延時間Δだけ信号を遅延させる。

また、信号処理部４０では、以下のように、スピーカ１２から放音される制御音の振幅を補正するための振幅補正Ｋを算出し、遅延回路３０に設定する。スピーカ１２が直線配置の場合、仮想配置の円弧に対して実際のスピーカ１２は遅延時間Δに相当する距離だけ前方に存在するため、仮想配置の場所にスピーカ１２が存在する場合よりも大きな音を制御点に放出する。そこで、制御音の大きさを小さく補正するための補正係数Ｋｉを以下の（１０）式により算出する。

Ｋｉ＝Δｉ×ｃ／Ｒ（Ｉ＝１、２、・・・) ・・・（１０）

また、信号処理部４０は、逆フィルタ２８のフィルタ係数Ｗ（ｔ）を、例えば陽解法によって、以下のように決定する。

まず、騒音源近傍に設置したセンサーマイク１８に入る騒音源からの騒音ｘ（ｔ）と騒音源から制御点に到達する騒音ｙｓ（ｔ）との相互相関関数ｈｓ（ｔ）を測定し、また、センサーマイク１８に入る騒音源からの騒音ｘ（ｔ）と逆フィルタをＷ（ｔ）＝δ（ｔ）としてスピーカ１２から放音される騒音ｙｃ（ｔ）との間の相互相関関数ｈｃ（ｔ）を測定する（相互相関法によるインパルスｈ（ｔ）の測定）。

そして、ｈｓ（ｔ）、ｈｃ（ｔ）の伝達関数をＨｓ（ω）、Ｈｃ（ω）として、逆フィルタＷ（ｔ）を、以下の（１１）式によって決定する。

ここで、Ｆ^−１は逆フーリエ変換を示す。

なお、ＭＬＳ法によって逆フィルタ２８のフィルタ係数を決定する場合には、以下のように決定される。

まず、Ｎ個のすべてのスピーカ１２の後述する指向性補正Ｄｉを設定する（騒音源の指向性と制御音源スピーカの指向性を同じにする）。そして、騒音源を稼動させて、騒音源近傍に設置したセンサーマイク１８に入るｘ（ｔ）と制御点に到達する騒音源からの騒音ｙｓ（ｔ）とをＬＭＳシステムに入力し、通常のＬＭＳ法の動作による自動同定にて、フィルタ係数Ｗ（ｔ）を決定する。

また、上記図３に示すように、騒音源からの騒音が指向性を持つ場合には、指向性補正係数Ｄｉは、以下のように求められ、各スピーカ１２からの制御音の大きさを補正するように、各遅延回路３０に設定される。音源（例えば、変圧器５０Ｈｚ正弦波放出）が複数台あり、それら複数の音源からの音波が相互干渉して伝播する場合や、音源の周囲に建物などの反射物体が存在し、音源からの音波と反射物体からの反射波が相互干渉しながら伝播する場合には、騒音源からの騒音に指向性が生じ、相互相関関数は、各スピーカ近接マイク３８に入射する音の大きさに比例して、すなわち騒音減の指向性を反映して、振幅（パワー）が異なる。例えば、図５に示すように、Ｍ８、Ｍ９の振幅は大きく、Ｍ１、Ｍ２は小さくなるのは騒音源の指向性の結果である。スピーカ１２から放音する制御音の大きさを騒音源の指向性と同じにすれば、騒音源が指向性を持つ場合でも対応できる。

そこで、指向性補正係数Ｄｉは、円弧状配置スピーカの中心スピーカ１２に近接するスピーカ近接マイク３８（Ｍ６）に入射するｙ（ｔ）とセンサーマイク１８に入射するｘ（ｔ）との相互相関関数φ^Ｍ６ _ｘｙ（τ）を基準として、以下の（１２）式により算出される。

なお、騒音源が位相差Δｔｓｉを持つ場合には、指向性補正Ｄｐｉが以下のように求められ、遅延時間を補正するように各遅延回路３０に設定される。音源が発生する騒音は、一般的には広帯域周波数成分を持っているため、騒音源が指向性を持っていても大きな位相差は生じないのが一般的と考えられる。しかし、音源が複数台あって複雑であることと騒音の建物反射とにより、複雑な指向性が生じている場合には、位相差が変化するため、位相差を補正しなければならない。

そこで、騒音源が指向性を持ち、かつ位相差Δｔｓｉを持つ場合は、まず、スピーカ近接マイク３８（Ｍｉ）に入射するｙｉ（ｔ）とセンサーマイク１８に入射するｘ（ｔ）との相互相関関数φ^Ｍｉ _ｘｙ（τ）を求める。

そして、騒音源からの騒音の主要周波数帯域に含まれる周波数ｆＨｚ（例えば、主要周波数帯域が１／３オクターブ・バンド中心周波数２５０Ｈｚである場合、ｆ＝２５０Ｈｚとする）の正弦波ｘ（ｔ）と相互相関関数φ^Ｍｉ _ｘｙ（τ）との畳み込み積分によって、以下の（１３）式のように、Ｓｉ（ｔ）を求める。

そして、図６のように、最も早い時間から始まる（Ｍ９）の正弦波を基準（Δｔｓ＝０遅れ時間ゼロ）として、各スピーカ近接マイク３８に入射する騒音の位相差Δｔｓｉを求める。

そして、Δｔｓｉの情報を、位相による遅延として、上述した遅延時間を算出する式のΔに加算する。すなわち、以下の（１４）式によって表される。

Δｉ＝（（Ｒ^２＋Ｄｉ^２）^１／２−Ｒ）／ｃ＋Δｔｓｉ・・・（１４）

次に、第１の実施の形態に係る騒音低減システム１０の動作について説明する。まず、騒音源から放射された騒音は、センサーマイク１８で集音され、マイクアンプ２０で音響信号が増幅されて、逆フィルタＤＳＰ２２に入力される。そして、逆フィルタＤＳＰ２２の逆フィルタ２８は、Ａ／Ｄ変換器２６から入力されたデジタル信号と、設定されたフィルタ係数とを用いて、デジタルフィルタリング処理を行う。

このとき、逆フィルタ２８を通すことで、信号の波形が整形されると共に時間移動され、入力信号を逆相にした低減信号が生成されるため、低減信号に基づいてスピーカ１２から放音された制御音により、減音効果を得ることができる。

逆フィルタ２８でフィルタリング処理された低減信号は、各遅延回路３０に入力され、各遅延回路３０では、対応するスピーカ１２の配列順序に応じて各々設定された遅延時間だけ信号を遅延させる。遅延した信号は、Ｄ／Ａ変換器３４に入力され、Ｄ／Ａ変換されて、パワーアンプ３６を介して、スピーカユニット１４に出力される。そして、フィルタリング処理された信号に対応する音波、即ち、騒音の逆相波である低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数以下の全周波数帯域の音波が、制御音としてスピーカユニット１４の各スピーカ１２から制御点に向けて放音される。

騒音源からの騒音が指向性を有する場合には、信号処理部４０によって、センサーマイク１８及びスピーカ近接マイク３８の音波情報に基づいて、騒音源からの騒音の指向性を算出し、算出された指向性に応じて、指向性補正係数を各スピーカ１２について算出して、各遅延回路３０に指向性補正係数を設定し、指向性補正係数に応じて制御音の大きさを補正するように、低減信号の振幅を補正する。

また、騒音源からの騒音が位相差を有する場合には、信号処理部４０によって、センサーマイク１８及びスピーカ近接マイク３８の音波情報に基づいて、騒音源からの騒音の位相差を算出し、算出された位相差に応じて、各遅延回路３０に設定する遅延時間を各スピーカ１２について算出して、各遅延回路３０に設定する遅延時間を、算出した遅延時間に変更する。

そして、逆フィルタ２８でフィルタリング処理された低減信号が、各遅延回路３０で、各々補正された遅延時間だけ信号を遅延され、遅延した信号に基づいて、スピーカユニット１４の各スピーカ１２から、騒音の逆相波である低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数以下の全周波数帯域の音波が、制御音として制御点に向けて放音される。

騒音源からの騒音に指向性がある場合には、各スピーカ１２から放音された制御音の指向性と騒音の指向性とが同じになっている。また、騒音源からの騒音に位相差がある場合には、制御音は騒音の位相差に応じて遅延するため、騒音源から位相差を持って拡散する騒音に対応した制御音を放音し、各スピーカ１２から放音された制御音が合成され、合成された音波の波面の包絡面が、騒音の波面に相当し、また、制御音が、騒音の逆相となっている。

ここで、各スピーカ１２から放音された制御音の指向性と騒音の指向性とが同じになることについて、実際上の意味を明確にする。騒音源の指向性（もしくは位相差）がある場合、ここでは、指向性の原因が、図７に示すように、工場建物Ａ、Ｂ、Ｃの３つの建物の外壁による反射である場合を考える。

まず、制御の対象である騒音源が発生する騒音の周波数特性並びに音圧レベルが定常である場合は、図７において、右上斜め方向の矢印と楕円で示す指向性（もしくは位相差）は、時間的に一定、すなわち、時々刻々変化するものではなく定常的である。このとき、騒音源の指向性（もしくは位相差）は、センサーマイク１８によって集音される騒音源から発生した騒音ｘ（ｔ）と各スピーカ近接マイク３８に入射する騒音ｙ（ｔ）との相互相関関数の逆フーリエ変換Φｘｙ（τ）から求められるが、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）とは「制御対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数以下の周波数の全帯域」の成分を含んでいる。

従って、算出される指向性（もしくは位相差）は、この周波数帯域における騒音の周波数特性に依存するものの、各スピーカ近接マイク３８の間隔ｄを、制御する最大周波数に対応する波長の１／２に相当する長さ以下として、かつ「制御対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数以下の周波数の全帯域」のΦｘｙ（τ）の情報を用いて、指向性（もしくは位相差）を求めている。すなわち、完璧ではないものの工学的には最適な方法で騒音源の指向性（もしくは位相差）が求められていると考えられる。

以上より、複数のスピーカから放音される制御音の指向性（もしくは位相差）と騒音源からの騒音の指向性（もしくは位相差）とが同じになるように制御音の大きさを制御するとは、上記のように、工学的に最適な方法で騒音源の指向性（もしくは位相差）を算出し、複数のスピーカから放音される制御音の指向性（もしくは位相差）と、算出された騒音源の指向性（もしくは位相差）とが同じになるように制御音の大きさを制御する、という意味である。

なお、制御の対象である騒音源が発生する騒音の周波数特性並びに音圧レベルが非定常である場合は、指向性（もしくは位相差）は時々刻々変化するため、これに対応して指向性（もしくは位相差）補正を追随させて制御すればよい。

従って、騒音源からの騒音が指向性を有しており、かつ、位相差があっても、制御点を含む広い範囲で、騒音源からの騒音が、スピーカ１２からの制御音により打ち消される。また、図８に示すように、２つの音源が在る場合でも同様であり、スピーカ１２は２つの円弧として働くことを示している。なお、騒音源が２つの場合は、図９に示すように、センサーマイク１８Ａ、１８Ｂ、マイクアンプ２０Ａ、２０Ｂ、逆フィルタＤＳＰ２２Ａ、２２Ｂ、及び遅延回路３０Ａ、３０Ｂが、騒音源毎に設けられている。また、複数の騒音源の各々に対する遅延回路３０Ａ、３０Ｂの各々からの出力が、加算機能を有する各Ｄ／Ａ変換器３４に出力され、各パワーアンプ３６を介して、スピーカユニット１４のスピーカ１２から制御音が放音される。

以上説明したように、第１の実施の形態に係る騒音低減システムによれば、騒音源の指向性に基づいて、複数のスピーカから放音された制御音の指向性と騒音の指向性とが同じになるように、制御音の大きさを補正すると共に、低減信号に基づいて複数のスピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、各スピーカに入力する低減信号を遅延させて、制御音を各スピーカから放音させることにより、騒音源からの騒音が指向性を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、騒音源からの騒音の位相差に基づいて、スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が騒音の波面に相当するように、低減信号を遅延させる時間を補正することにより、騒音源からの騒音が位相差を有している場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、騒音源が複数ある場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、自由音場用、すなわち防音壁がない場合でも能動制御を行い、騒音を低減することができる。

なお、上記の実施の形態では、複数のスピーカを直線状に配列する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、円弧状に配列してもよい。この場合にも、各スピーカに対して、騒音源とスピーカとの距離に基づいて、遅延時間を決定して遅延回路に設定し、騒音源に対する円弧上にスピーカの仮想音源が配置されるようにすればよい。

次に、第２の実施の形態に係る騒音低減システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して、説明を省略する。

第２の実施の形態では、スピーカ近接マイクを１つだけ設けている点が第１の実施の形態と異なっている。

図１０に示すように、第２の実施の形態に係る騒音低減システム２１０では、スピーカユニット１４の複数のスピーカ１２の配列方向に沿って、ワイヤ２４０を設け、ワイヤにスピーカ近接マイク２３８を吊るすことによって、スピーカ近接マイクを移動可能としている。

騒音源の位置を特定する場合には、スピーカ近接マイク２３８を複数のスピーカ１２の各々に近接した所定位置に移動させながら、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を信号処理部４０に出力する。

このように、スピーカ近接マイクが１つだけで済むため、低コストで騒音低減システムを構成することができる。

次に、第３の実施の形態に係る騒音低減システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して、説明を省略する。

図１１に示すように、第３の実施の形態に係る騒音低減システムには、防音壁３５０が設けられており、スピーカユニット１４の複数のスピーカ１２が、防音壁３５０上に設置されている。

このように、防音壁を有する場合でも、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。また、騒音源からの騒音が指向性を有し、また、騒音が位相差を有していても、防音壁上のスピーカを移動させずに、各遅延回路に設定される制御音の大きさを補正すると共に、遅延時間を補正することにより、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

なお、上記の第１の実施の形態〜第３の実施の形態では、センサーマイクを用いて、騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を、マイクアンプを介して逆フィルタＤＳＰに出力する場合を例に説明したが、騒音源の振動を検出する振動検出器を用いてもよい。この場合には、振動検出器を用いて、騒音源の振動を検出し、検出した振動に対応する振動信号を、マイクアンプを介して逆フィルタＤＳＰに出力し、逆フィルタＤＳＰにおいて、振動信号に逆フィルタリングをかけて低減信号を生成するようにすればよい。

次に、第４の実施の形態に係る騒音低減システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して、説明を省略する。

図１２に示すように、第４の実施の形態に係る騒音低減システムには、角度θで折れ曲がっている防音壁４５０が設けられており、スピーカユニット１４の複数のスピーカ１２が、防音壁４５０上に設置されている。

このように、折れ曲がっている防音壁を有する場合でも、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。また、騒音源からの騒音が指向性を有し、また、騒音が位相差を有していても、防音壁上のスピーカを移動させずに、各遅延回路に設定される制御音の大きさを補正すると共に、遅延時間を補正することにより、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

次に、第５の実施の形態に係る騒音低減システムについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して、説明を省略する。

図１３に示すように、第５の実施の形態に係る騒音低減システムには、２段の直線になって延びている防音壁５５０が設けられており、スピーカユニット１４の複数のスピーカ１２が、防音壁５５０上に設置されている。

このように、２段の直線となっている防音壁を有する場合でも、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。また、騒音源からの騒音が指向性を有し、また、騒音が位相差を有していても、防音壁上のスピーカを移動させずに、各遅延回路に設定される制御音の大きさを補正すると共に、遅延時間を補正することにより、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

なお、スピーカが壁上に配置されている防音壁が騒音源と反対側を中心とする曲線状であってもよい。この場合にも、低減信号を遅延させることにより、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

また、防音壁を設けた場合を例に説明したが、防音壁を有しない自由音場であっても、上記のように、直線状に配置していない複数のスピーカを移動させずに、各遅延回路に設定される制御音の大きさや遅延時間を補正することにより、騒音源からの騒音が指向性を有し、また、騒音が位相差を有していても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。例えば、敷地境界線が直線状ではない場合に、敷地境界線に沿ってスピーカを配置したような場合であっても、騒音源から拡散する騒音を広い範囲で低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る騒音低減システムの構成を示す概略図である。スピーカを移動させるためのレール及び台車の構成を示す概略図である。騒音源の指向性と中心のスピーカを決定する場合とを示すイメージ図である。遅延時間を決定する場合を示すイメージ図である。騒音源が指向性を持つ場合に得られる相互相関関数を示すグラフである。騒音源が指向性を持ち、かつ位相差を有する場合の正弦波と相互相関関数との畳み込み積分によって得られるＳｉ（ｔ）を示すグラフである。騒音源の指向性と制御音の指向性との同一を説明するための図である。騒音源が複数ある場合における仮想音源の配置を示すイメージ図である。複数の騒音源に対応した騒音低減システムの構成を示す概略図である。本発明の第２の実施の形態に係る騒音低減システムの構成を示す概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る騒音低減システムの防音壁及びスピーカを示す概略図である。本発明の第４の実施の形態に係る騒音低減システムの防音壁及びスピーカを示す概略図である。本発明の第５の実施の形態に係る騒音低減システムの防音壁及びスピーカを示す概略図である。

符号の説明

１０、２１０騒音低減システム
１２スピーカ
１４スピーカユニット
１６制御ブロック
１８センサーマイク
２０マイクアンプ
２２逆フィルタＤＳＰ
２６Ａ／Ｄ変換器
２８逆フィルタ
３０遅延回路
３４Ｄ／Ａ変換器
３６パワーアンプ
３８、２３８スピーカ近接マイク
４０信号処理部
２４０ワイヤ
３５０、４５０、５５０防音壁

Claims

低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数に対応する波長の１／２に相当する長さ以下の間隔で配列された複数のスピーカを備えたスピーカユニットと、
騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するマイクロホンと、
前記音響信号に基づいて、前記スピーカユニットから前記騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する生成手段と、
前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記低減信号を、前記騒音源と遅延させた低減信号に基づいた制御音を放音する前記複数のスピーカとの距離の各々に応じた時間だけ各々遅延させる処理を行う処理手段と、
前記処理手段で処理された信号を前記複数のスピーカの各々に入力する入力手段と、
前記騒音源からの騒音の指向性を算出する指向性算出手段と、
前記指向性算出手段によって算出された指向性に基づいて、前記複数のスピーカから放音される制御音の指向性と前記騒音源からの騒音の指向性とが同じになるように、前記複数のスピーカの各々から放音される制御音の大きさを補正する補正手段と、
を含む騒音低減装置。
前記複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、前記複数のスピーカの各々に対する所定位置において、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記指向性算出手段は、前記マイクロホンによって出力された音響信号及び前記スピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する請求項１記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記指向性算出手段は、前記マイクロホンによって出力された音響信号及び前記複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する請求項１記載の騒音低減装置。
前記騒音源からの騒音の位相差を算出する位相差算出手段と、
前記位相差算出手段によって算出された位相差に基づいて、前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記処理手段によって遅延される時間を補正する遅延時間補正手段と、
を更に含む請求項１〜請求項３の何れか１項記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、前記複数のスピーカの各々に対する所定位置において、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記位相差算出手段は、前記マイクロホンによって出力された音響信号及び前記スピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の位相差を算出する請求項４記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記位相差算出手段は、前記マイクロホンによって出力された音響信号及び前記複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の位相差を算出する請求項４記載の騒音低減装置。
低減対象となる騒音の周波数帯域における最大周波数に対応する波長の１／２に相当する長さ以下の間隔で配列された複数のスピーカを備えたスピーカユニットと、
騒音源の振動を検出し、検出した振動に対応する振動信号を出力する振動検出手段と、
前記振動信号に基づいて、前記スピーカユニットから前記騒音源と反対側における騒音を低減するための低減信号を生成する生成手段と、
前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記低減信号を、前記騒音源と遅延させた低減信号に基づいた制御音を放音する前記複数のスピーカとの距離の各々に応じた時間だけ各々遅延させる処理を行う処理手段と、
前記処理手段で処理された信号を前記複数のスピーカの各々に入力する入力手段と、
前記騒音源からの騒音の指向性を算出する指向性算出手段と、
前記指向性算出手段によって算出された指向性に基づいて、前記複数のスピーカから放音される制御音の指向性と前記騒音源からの騒音の指向性とが同じになるように、前記複数のスピーカの各々から放音される制御音の大きさを補正する補正手段と、
を含む騒音低減装置。
前記複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、前記複数のスピーカの各々に対する所定位置において、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記指向性算出手段は、前記振動検出手段によって出力された振動信号及び前記スピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する請求項７記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記指向性算出手段は、前記振動検出手段によって出力された振動信号及び前記複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の指向性を算出する請求項７記載の騒音低減装置。
前記騒音源からの騒音の位相差を算出する位相差算出手段と、
前記位相差算出手段によって算出された位相差に基づいて、前記スピーカから放音された制御音の波面の包絡面が前記騒音の波面に相当するように、前記処理手段によって遅延される時間を補正する遅延時間補正手段と、
を更に含む請求項７〜請求項９の何れか１項記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの配列方向に沿って移動可能であって、かつ、前記複数のスピーカの各々に対する所定位置において、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力するスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記位相差算出手段は、前記振動検出手段によって出力された振動信号及び前記スピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の位相差を算出する請求項１０記載の騒音低減装置。
前記複数のスピーカの各々に対応して、対応するスピーカに対する所定位置に設置され、かつ、前記騒音源からの騒音を集音し、集音した騒音に対応する音響信号を出力する複数のスピーカ対応マイクロホンを更に含み、
前記位相差算出手段は、前記振動検出手段によって出力された振動信号及び前記複数のスピーカ対応マイクロホンによって出力された音響信号に基づいて、前記騒音源からの騒音の位相差を算出する請求項１０記載の騒音低減装置。
前記スピーカユニットの複数のスピーカを、壁上に設けた請求項１〜請求項１２の何れか１項記載の騒音低減装置。