JP4581293B2

JP4581293B2 - 騒音制御装置

Info

Publication number: JP4581293B2
Application number: JP2001168126A
Authority: JP
Inventors: 武司塩谷; 功愛知
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-04
Filing date: 2001-06-04
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2021-06-04
Also published as: JP2002366161A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人為的に発生させた制御音を騒音に干渉させることにより、所定の受聴エリア内での騒音を低減する騒音制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、デジタル信号処理技術を用いてスピーカから制御音を発生させ、この制御音を騒音に干渉させることにより、予め設定された受聴エリア内での騒音を低減する騒音制御装置が知られている。
【０００３】
ここで、図７は、一般的な騒音制御装置の構成を表すブロック図である。
図示の如く、騒音制御装置は、騒音源の騒音を検出する騒音源マイクロフォン１０１と、騒音に干渉させる制御音を発生させるスピーカ１０２と、受聴エリアに設置され、スピーカ１０２からの制御音と騒音との合成音を検出する受聴エリアマイクロフォン１０３と、騒音源マイクロフォン１０１からの騒音検出信号、及び受聴エリアマイクロフォン１０３からの誤差検出信号を、それぞれサンプリングしてデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器１０４，１０５と、Ａ／Ｄ変換器１０４からの騒音検出データに基づいて、Ａ／Ｄ変換器１０５からの誤差検出データが最小となるようにスピーカ１０２に制御音を発生させるための制御データを生成する信号処理部１１０と、信号処理部１１０が生成した制御データを、アナログ信号である制御信号に変換するＤ／Ａ変換器１０６とを備えている。
【０００４】
そして、信号処理部１１０は、Ａ／Ｄ変換器１０４にて検出された騒音検出データに−１を乗算して符号変換する演算器１１１と、演算器１１１の出力から制御データを生成するフィルタ１１２と、誤差検出信号に基づいてフィルタの係数を更新する係数更新器１１３とからなる。
【０００５】
なお、フィルタ１１２は、ＦＩＲ（Finite Inpulse Response ）フィルタとして構成されたものであり、具体的には、演算器１１１からの符号反転データとフィルタの特性（伝達関数）を決める係数との畳み込み演算を実行するものである。また、係数更新器１１３は、例えば、公知のＬＭＳ（Least Mean Square ：最小自乗平均法）アルゴリズムを用いて、フィルタ係数を更新するようにされており、フィルタ１１２及び係数更新器１１３は、いわゆる適応フィルタとして構成されている。
【０００６】
このように構成された騒音制御装置では、受聴エリア内で騒音と逆位相となるような制御音がスピーカ１０２から発生し、この制御音と騒音とが干渉して打ち消し合うことにより、受聴エリアでの騒音を低減させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、騒音制御装置により、消音効果（例えば、騒音を−１０ｄＢ以下に低減）が得られる範囲（以下「消音エリア」という）は、制御ポイント（ここでは受聴エリアマイクロフォン）を中心として形成され、その大きさは騒音に含まれる周波数成分によって決まる。
【０００８】
例えば、騒音の周波数成分が４００Ｈｚ程度の場合、消音エリアの半径は約５ｃｍであり、これは騒音の周波数成分が高いほど小さくなる。つまり、消音効果が得られる範囲（以下「受聴エリア」という）は、騒音に含まれる周波数成分の最大周波数によって制限されることになる。
【０００９】
そして、上述の騒音制御装置を自動車の車室内に適用した場合、受聴エリアが運転者の耳の周辺に位置するように設定されるが、受聴エリアが小さいため、運転者がわずかに動いただけでも、運転者の耳が受聴エリアから外れてしまい、せっかく装置を設置しても、その効果を充分に発揮させることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解決するために、騒音の持つ周波数成分によらず、必要な大きさの消音エリアを常に確保できる騒音制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の騒音制御装置では、騒音源の近傍に設置された騒音検出手段が騒音を検出し、制御信号生成手段が、騒音検出手段からの騒音信号に基づいて制御信号を生成し、この制御信号に基づいて制御音発生手段が制御音を発生させる。
【００１２】
なお、制御信号生成手段では、演算手段が、騒音信号の符号を変換し、その演算手段の出力に基づいて、フィルタ手段が制御信号を生成する。この時、誤差検出手段が、受聴エリアに設定された複数の制御ポイントにて、制御スピーカが発生させた制御御と騒音源からの騒音との合成音を検出し、制御ポイントのそれぞれに対応して設けられた係数更新手段が、各制御ポイントに対応する誤差検出信号に基づき、誤差検出信号が最小となるようなフィルタ係数を繰り返し生成する。
【００１３】
そして、周波数分析手段が、騒音検出信号から予め設定されたしきい値以上の信号強度を有する周波数成分の最大周波数を特定し、その特定された周波数に従って、選択手段が、１ないし複数の制御ポイントを選択し、更新制御手段が、その選択された制御ポイントに対応する各係数更新手段が生成したフィルタ係数を、順番にフィルタ手段に供給する。これにより、フィルタ手段は、選択された制御ポイント毎の制御信号を時分割で生成し、その結果、選択された制御ポイントのそれぞれについて、その制御ポイントを中心とする消音エリアが形成されることになる。
【００１４】
なお、騒音に含まれる周波数成分の最大周波数が大きくなるほど、消音エリアは小さくなるが、その最大周波数に応じて、選択する制御ポイント、即ち生成する消音エリアの数及び位置を適宜を切り替えることにより、常に、受聴エリアの全体を消音エリアにて覆い尽くすことが可能となる。
【００１５】
従って、本発明の騒音制御装置によれば、騒音に含まれる周波数成分の最大周波数によらず、必要な大きさの消音エリアを常に確保することができる。
なお、選択手段は、請求項２記載のように、生成された消音エリアにて受聴エリアの全体が覆われ、且つ生成数が最少となるように制御ポイントを選択するように構成することが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、デジタル信号処理技術を用いてスピーカから制御音を発生させ、この制御音を騒音に干渉させることにより、予め設定された受聴エリアでの騒音を低減する能動騒音制御（ＡＮＣ：Active Noise Control）を実現する第１実施形態の騒音制御装置の構成を表すブロック図である。
【００２４】
図示の如く、本実施形態の騒音制御装置は、騒音源の騒音を検出する騒音検出手段としての騒音源マイクロフォン１と、騒音に干渉させる制御音を発生させる制御音発生手段としてのスピーカ２と、受聴エリア内の均等に分布するように設定された制御ポイントにそれぞれ設置され、スピーカ２からの制御音と騒音との合成音を検出する９個の受聴エリアマイクロフォンＭ１〜Ｍ９からなる誤差検出手段としての誤差検出部３と、騒音源マイクロフォン１からの騒音検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器４と、受聴エリアマイクロフォンＭ１〜Ｍ９毎に設けられ、各受聴エリアマイクロフォンＭｉ（ｉ＝１〜９）からの誤差検出信号をそれぞれサンプリングしてデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器ＡＤｉ（図２参照）からなるＡ／Ｄ変換器群５と、Ａ／Ｄ変換器４からの騒音検出データに基づいて、Ａ／Ｄ変換器群５からの誤差検出データが最小となるようにスピーカ２に制御音を発生させるための制御データを生成する信号処理部１０と、信号処理部１０が生成した制御データを、アナログ信号である制御信号に変換するＤ／Ａ変換器６とを備えている。
【００２５】
そして、信号処理部１０は、図２に示すように、騒音検出データに−１を乗算して符号変換する演算手段としての演算器１１と、演算器１１からの符号反転データから制御データを生成するフィルタ手段としてのフィルタ１２と、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１〜ＡＤ９のそれぞれに対応して設けられ、Ａ／Ｄ変換器ＡＤｉからの誤差検出信号が最小となるようなフィルタ１２の係数を繰り返し生成する係数更新手段としての係数更新器Ｋｉからなる係数更新部１３と、Ａ／Ｄ変換器４からの騒音検出信号から、予め設定されたしきい値以上の信号強度を有する周波数成分の最大周波数を特定する周波数分析手段としての周波数分析器１４と、周波数分析器１４にて特定された最大周波数に従って、１ないし複数（最大９個）の制御ポイントを選択する選択手段としての選択器１５と、選択器１５にて選択された制御ポイントに対応する全ての係数更新器からのフィルタ係数を、フィルタ１２に順番に供給することにより、フィルタ１２に制御ポイント毎の制御データを時分割で生成させる更新制御手段としての更新制御部１６とを備えている。
【００２６】
なお、フィルタ１２は、ＦＩＲ（Finite Inpulse Response ）フィルタとして構成されたものであり、具体的には、更新制御部１６を介していずれかの係数更新器Ｋｉが設定するフィルタ係数と、演算器１１からの符号反転データとの畳み込み演算を実行するものである。
【００２７】
また、係数更新器Ｋ１〜Ｋ９は、例えば、公知のＬＭＳ（Least Mean Square ：最小自乗平均法）アルゴリズムを用いて、フィルタ１２の係数を生成するようにされており、フィルタ１２と共に、いわゆる適応フィルタを構成している。
また、選択器１５には、周波数分析器１４での検出周波数と、選択すべき制御ポイントとを対応づけたテーブルが予め用意されており、このテーブルに従って制御ポイントの選択を行う。
【００２８】
なお、テーブルは以下のように設定されている。即ち、可聴周波数範囲を３分割し、最も周波数の低い第１周波数範囲に検出周波数が属している場合には、受聴エリアマイクロフォンＭ５が設置された受聴エリアの中心に位置する制御ポイントのみを選択し、真ん中の第２周波数範囲に検出周波数が属している場合には、受聴エリアマイクロフォンＭ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８が設置された４カ所の制御ポイントを選択し、最も周波数の高い第３周波数範囲に検出周波数が属している場合には、９カ所全ての制御ポイントを選択するように設定されている。
【００２９】
このように構成された本実施形態の騒音制御装置では、更新制御部１６が、係数更新器Ｋｉが生成したフィルタ係数をフィルタ１２に供給している時には、係数更新器Ｋｉに対応する制御ポイント（ここでは受聴エリアマイクロフォンＭｉの設置位置）を中心とした消音エリアが生成されることになる。そして、選択器１５により複数の制御ポイントが選択されている時には、選択された全ての制御ポイントに消音エリアが生成され、生成された全ての消音エリアを合成した範囲にて、消音効果が得られることになる。
【００３０】
即ち、検出周波数が、第１周波数範囲に属する場合には、図３（ａ）に示すように、受聴エリアマイクロフォンＭ５を中心とした１個の消音エリアが生成され、また、第２周波数範囲に属する場合には、図３（ｂ）に示すように、受聴エリアマイクロフォンＭ２，Ｍ４，Ｍ６，Ｍ８を中心とした４個の消音エリアが形成され、更に、第３周波数範囲に属する場合には、図１に示すように、受聴エリアマイクロフォンＭ１〜Ｍ９を中心とした９個の消音エリアが形成されることになる。
【００３１】
但し、第１〜第３周波数範囲の境界、及び受聴エリアマイクロフォン（制御ポイント）Ｍ１〜Ｍ９の配置間隔は、第１周波数範囲の上限周波数を含んだ騒音が発生している時の消音エリアが、騒音の周波数成分によらず常に消音効果が得られるべき受聴エリア以上となり、第２周波数範囲の上限周波数を含んだ騒音が発生している時の消音エリアの半径が、図中で縦横方向に隣接する受聴エリアマイクロフォン間（例えばＭ１−Ｍ４間，Ｍ４−Ｍ５間など）の距離以上となり、制御すべき最大周波数を含んだ騒音が発生している時の消音エリアの半径が、図中で斜め方向に隣接する受聴エリアマイクロフォン間（例えばＭ２−Ｍ４間，Ｍ４−Ｍ８間など）の距離の半分以上となるように設定されている。
【００３２】
このように、本実施形態の騒音制御装置によれば、騒音に高い周波数成分が含まれる等して、単独の制御ポイントでは充分な大きさの消音エリアを確保できない場合でも、複数の制御ポイント（受聴エリアマイクロフォンの設置位置）にて消音エリアを同時に発生させることができるため、所望の大きさの受聴エリアを常に確保することができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、周囲の状況によらず一定範囲の受聴エリアが確保されるように、制御ポイントを選択するようにされているが、周囲の状況に応じて、受聴エリアの大きさを変化させるように構成してもよい。
また、本実施形態では、受聴エリア内に９個の制御ポイントを格子点状に設定したが、制御ポイントの数は８個以下、或いは１０個以上であったり、制御ポイントの配置は、例えば同心円状であってもよく、これらは、受聴エリアの形状や大きさに応じて、受聴エリアを消音エリアにて効率良く（最小限の数にて）覆い尽くすことができるように設定すればよい。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。
【００３４】
図４（ａ）は、デジタル信号処理技術を用いてスピーカから制御音を発生させ、この制御音を騒音に干渉させることにより、予め設定された受聴エリアでの騒音を低減する本実施形態の騒音制御装置の構成を表すブロック図である。
図示の如く、本実施形態の騒音制御装置は、騒音源の騒音を検出する騒音検出手段としての騒音源マイクロフォン２１と、騒音に干渉させる制御音を発生させる制御音源としてのスピーカ２２と、騒音源マイクロフォン２１からの騒音検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器２４と、Ａ／Ｄ変換器２４からの騒音検出データに基づいて、スピーカ２２に制御音を発生させるための制御データを生成する信号処理部３０と、信号処理部３０が生成した制御データを、アナログ信号である制御信号に変換するＤ／Ａ変換器２６とを備えている。
【００３５】
そして、信号処理部３０は、騒音検出データに−１を乗算して符号変換する演算器３１と、演算器３１からの符号反転データから制御データを生成するフィルタ３２と、受聴エリア内に設定された９個の制御ポイントＰ１〜Ｐ９（図５参照）毎に予め用意されたフィルタ係数を、フィルタ３２に順番に供給することにより、フィルタ３２に制御ポイント毎の制御データを時分割で生成させる係数制御器３３とを備えている。
【００３６】
フィルタ３２は、第１実施形態と同様に、ＦＩＲフィルタとして構成されたものであり、係数制御器３３から供給されるフィルタ係数と、演算器３１からの符号反転データとの畳み込み演算を実行するものである。
また、係数制御器３３に用意されたフィルタ係数は、次のようにして設定されたものである。即ち、図５に示すように、騒音源をＮ、騒音源から制御ポイントＰｉ（ｉ＝１〜９）に到る音響伝達経路の伝達関数をＨni、スピーカ２２が発生する制御音をＶ、スピーカ２２から制御ポイントＰｉに到る音響伝達経路の伝達関数をＨviとすると、これらが（１）式の関係にある時に、制御ポイントＰｉでの制御音Ｖと騒音Ｎとは打ち消し合うことになり、この（１）式から、制御音Ｖは（２）式で表すことができる。
【００３７】
Ｖ・Ｈvi＋Ｎ・Ｈni＝０（１）
Ｖ＝−Ｎ・Ｈni／Ｈvi （２）
そして、演算器３１の出力が−Ｎとなることから、フィルタ２２の特性がＨni／Ｈviとなるようにフィルタ係数を設定すればよいのである。
【００３８】
このように構成された本実施形態の騒音制御装置では、係数制御器３３が、制御ポイントＰｉに対応したフィルタ係数をフィルタ３２に供給している時には、この制御ポイントＰｉを中心とした消音エリアが生成されることになり、時分割で全ての制御ポイントＰ１〜Ｐ９に対応した制御を行っているため、全ての制御ポイントＰ１〜Ｐ９に消音エリアが生成され、生成された全ての消音エリアを合成した範囲にて消音効果が得られることになる。
【００３９】
但し、制御ポイントＰ１〜Ｐ９の配置間隔は、制御すべき最大周波数を含んだ騒音が発生している時の消音エリアの半径が、図中で斜め方向に隣接する受聴エリアマイクロフォン間（例えばＭ２−Ｍ４間，Ｍ４−Ｍ８間など）の距離の半分以上となるように設定されている。
【００４０】
従って、本実施形態の騒音制御装置によれば、消音エリアが最も小さくなる時にでも、必要な大きさの受聴エリアを確実に発生させることができる。しかも、この制御ポイント数や制御ポイントの位置を適宜選択することによって、受聴エリアの大きさや形状を任意に設定することができる。
【００４１】
なお、本実施形態において、信号処理部３０では、係数制御器３３が各制御ポイントＰ１〜Ｐ９に対応するフィルタ係数を、フィルタ３２に順次供給して、フィルタ３２に各制御ポイントＰ１〜Ｐ９に対する制御を時分割で行わせるようにされているが、図４（ｂ）に示す信号処理部３０ｂのように、フィルタ３２，係数制御器３３の代わりに、制御ポイントＰ１〜Ｐ９と同数のフィルタからなるフィルタ群３２ａと、フィルタ群３２ａを構成する各フィルタが生成する制御データを、Ｄ／Ａ変換器６に順番に出力する時分割出力器３４とを設けても、同様の効果を得ることができる。なお、この場合、各フィルタのフィルタ係数は、固定値を用いればよい。
【００４２】
また、本実施形態では、演算器３１の出力を、フィルタ２２を用いて時間領域にて処理しているが、図６（ａ）に示す信号処理部３０ｂのように、演算器３１からの符号反転データをＦＦＴ処理器３７にてフーリエ変換することにより周波数領域の信号に変換し、この周波数領域の信号と、係数制御部３６に用意されたフィルタ係数とを演算器３５にて乗算し、その乗算結果を逆ＦＦＴ処理器３８にて逆フーリエ変換することにより時間領域の信号に変換して出力するように構成してもよい。
【００４３】
但し、係数制御部３６は、信号処理部３０の係数制御器３３と同様に、受聴エリア内に設定された９個の制御ポイントＰ１〜Ｐ９（図５参照）毎に予め用意されたフィルタ係数を、演算器３５に順番に供給することにより、演算器３５に制御ポイント毎の制御データを時分割で生成させるように構成されていると共に、フィルタ係数は、係数制御器３３に用意されたフィルタ係数に基づき、このフィルタ係数にて表される伝達関数を、フーリエ変換することにより生成されたものが用意されている。
【００４４】
この場合、信号処理部３０ｂは、信号処理部３０が時間領域で行っている処理を、周波数領域で行っているだけであり、従って、信号処理部３０の場合と、全く同様の効果を得ることができる。
なお、信号処理部３０に対する信号処理部３０ａの場合と全く同様に、図６（ｂ）に示す信号処理部３０ｃのように、信号処理部３０ｂの演算器３５及び係数制御部３６の代わりに、制御ポイントＰ１〜Ｐ９と同数の演算器からなる演算器群３５ａと、演算器群３５ａを構成する各演算器が生成する制御データを、逆ＦＦＴ処理器３８に順番に出力する時分割出力器３４とを設けてもよい。
【００４５】
この場合、逆ＦＦＴ処理器３８は、時分割出力器３４の入力側に、演算器群３５ａを構成する各演算器毎に設けてもよい。
また、信号処理部１０，２０，２０ａ〜２０ｃにおいて、演算器１１，３１３を省略し、その機能をフィルタ１２，３２や演算器３５に持たせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の騒音制御装置の構成、及び受聴エリアマイクロフォン（制御ポイント）の配置を表す説明図である。
【図２】信号処理部の構成を表すブロック図である。
【図３】騒音制御装置が生成する消音エリアの状態を表す説明図である。
【図４】第２実施形態の騒音制御装置、及びその変形例の構成を表すブロック図である。
【図５】制御ポイントの配置及びフィルタ係数の設定方法を表す説明図である。
【図６】第２実施形態の変形例の構成を表すブロック図である。
【図７】従来装置の構成を表すブロック図である。
【符号の説明】
１，２１…騒音源マイクロフォン２，２２…スピーカ
３…誤差検出部４，２４…Ａ／Ｄ変換器５…Ａ／Ｄ変換器群
６，２６…Ｄ／Ａ変換器１０，３０，３０ａ〜３０ｃ…信号処理部
１１，３１…演算器１２，２２，３２…フィルタ
１３…係数更新部１４…周波数分析器１５…選択器
１６…更新制御部３２ａ…フィルタ群３３，３６…係数制御部
３４…時分割出力器３５…演算器３５ａ…演算器群
３７…ＦＦＴ処理器３８…逆ＦＦＴ処理器
Ｍ１〜Ｍ９…受聴エリアマイクロフォンＰ１〜Ｐ９…制御ポイント

Claims

制御音を発生させる制御音発生手段と、
騒音源の近傍に設置され騒音を検出する騒音検出手段と、
該騒音検出手段からの騒音信号に基づいて前記制御音を発生させるための制御信号を生成する制御信号生成手段と、
を備え、前記騒音に前記制御音を干渉させることにより予め設定された受聴エリア内での騒音を低減する騒音制御装置において、
前記制御信号生成手段は、
前記騒音検出信号の符号を変換する演算手段と、
任意に設定可能なフィルタ係数により決定される特性に従って、前記演算手段の出力から、前記制御音を発生させるための制御信号を生成するフィルタ手段と、
前記受聴エリアに設定された複数の制御ポイントにて、前記制御スピーカが発生させた制御音と前記騒音との合成音を検出する誤差検出手段と、
前記制御ポイントのそれぞれに対応して設けられ、前記制御ポイントに対応する誤差検出信号に基づき、該誤差検出信号が最小となるような前記フィルタ係数を繰り返し生成する複数の係数更新手段と、
前記騒音検出信号から、予め設定されたしきい値以上の信号強度を有する周波数成分中の最大周波数を特定する周波数分析手段と、
該周波数分析手段にて特定された周波数に従って、１ないし複数の前記制御ポイントを選択する選択手段と、
該選択手段にて選択された制御ポイントに対応する各係数更新手段が生成したフィルタ係数を順番に前記フィルタ手段に供給することにより、選択された制御ポイント毎の制御信号を前記フィルタ手段に時分割で生成させる更新制御手段と、
を設けたことを特徴とする騒音制御装置。
前記選択手段は、生成される消音エリアによって前記受聴エリアの全体が覆われ、且つ生成数が最少となるように前記制御ポイントを選択することを特徴とする請求項１記載の騒音制御装置。