JPH09258745A - 能動消音装置および能動消音系の設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な手法で反射のある空間に侵入する騒音を
消すことができる能動消音装置および能動消音系の設計
方法を提供する。 【解決手段】音響反射の存在する空間に侵入する騒音の
音響パワーを低減する能動消音装置であって、付加音源
２５ａ，２５ｂを閉空間２１における騒音２３の侵入口
の近くに配置するとともに付加音源２５ａ，２５ｂから
騒音２３の侵入口における振動面３０の騒音に対して逆
位相で同じ体積速度（振幅）の音響エネルギを放出させ
たときにできる節（音圧最小点）の位置３１に誤差信号
検出手段２７を配置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばエレベー
タの乗り篭のように音響反射の存在する空間に侵入する
騒音を能動的に消音する能動消音装置および能動消音系
の設計方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、エレベータの乗り篭は音
響反射の存在する閉空間を構成している。この乗り篭に
は、通常、ダクトを介して換気用のファンが設けられて
いる。したがって、乗り篭内には、ファンで発生した騒
音がダクトを介して侵入する。この侵入騒音はエレベー
タの乗り心地を悪くする虞がある。したがって、侵入騒
音を消すための何等かの手段を乗り篭に設けることが望
まれる。

【０００３】ところで、図１２に示すような音響反射の
存在する閉空間１にダクト２などを介して侵入する騒音
３を閉空間１内において消音する方法としては、図１３
(a)に示すように、閉空間１に吸音材４を内張して内部
の音圧上昇を防ぐ手法が一般に採用されている。また、
ダクト２から侵入する音の音響パワーを低減し、閉空間
全領域を消音するのではなく、図１３(b) に示すよう
に、放射エネルギーによって閉空間１内に生じた顕著な
共鳴周波数成分に着目し、その音圧モードの振幅最大の
位置５に誤差マイク６を設置し、周知の能動消音制御で
そのモードを低減させる手法も知られている。

【０００４】しかしながら、閉空間１に吸音材４を内張
する方法では、一般に波長の長い低周波数成分を低減さ
せることが難しい。また、閉空間１に生じる音圧モード
を能動消音制御で制御する方法では、ある１つの音圧モ
ードだけ低減できても、複数のモードが卓越している場
合には消音効果が小さい。消音効果を向上させるには各
モードに対して誤差マイク６を１つずつ、しかも音圧の
一番大きい位置に配置しなければならい。しかし、閉空
間１の形状、騒音の伝播状況によりモードの現れ方も異
なることから、あまり実用的ではない。仮にモードの現
れ方が一定で、この手法で複数のモードを抑制できたと
しても、騒音が閉空間１に侵入する入口の音響パワーを
低減させているのではないので、閉空間全領域を消音さ
せることは難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の消
音手法では、低周波の騒音成分を消音できなかったり、
対象空間の影響を受けたり、システム全体が大掛かりに
なったり、閉空間全領域を消音させることが困難であっ
たりする問題があった。

【０００６】そこで本発明は、上述した不具合を解消で
き、音響反射の存在する空間に侵入した騒音を良好に消
音できる能動消音装置および能動消音系の設計方法を提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明では、音響反射の存在する空間
に侵入する騒音の音響パワーを低減する能動消音装置で
あって、前記騒音と相関のある信号を検出するセンシン
グ手段と、付加音源と、前記センシング手段の出力と制
御係数との演算出力で前記付加音源を制御する制御手段
と、前記空間に設けられた誤差信号検出手段と、この誤
差信号検出手段の出力と前記センシング手段の出力とを
導入して前記制御手段の前記制御係数を時々刻々適応的
に算出して更新する制御係数算出手段とを備え、前記付
加音源を前記空間における前記騒音の侵入口の近くに配
置するとともに上記付加音源から上記騒音の侵入口にお
ける振動面の騒音に対して逆位相で同じ体積速度（振
幅）の音響エネルギを放出させたときにできる節（音圧
最小点）の位置に前記誤差信号検出手段を配置してなる
ことを特徴としている。

【０００８】また、上記目的を達成するために、請求項
２に係る発明では、音響反射の存在する空間に侵入する
騒音の音響パワーを低減する能動消音装置であって、前
記騒音と相関のある信号を検出するセンシング手段と、
付加音源と、前記センシング手段の出力と制御係数との
演算出力で前記付加音源を制御する制御手段と、前記空
間に設けられた誤差信号検出手段と、この誤差信号検出
手段の出力と前記センシング手段の出力とを導入して前
記制御手段の前記制御係数を時々刻々適応的に算出して
更新する制御係数算出手段とを備え、前記付加音源を前
記空間における前記騒音の侵入口の近くに配置するとと
もに前記誤差信号検出手段を予め設定された領域内で、
かつ上記付加音源から上記騒音の侵入口における振動面
の騒音に対して逆位相で同じ体積速度（振幅）の音響エ
ネルギを放出させたときに音圧最小となる位置に配置し
てなることを特徴としている。

【０００９】さらに、上記目的を達成するために、請求
項３に係る発明では、騒音と相関のある信号を検出する
センシング手段、付加音源、前記センシング手段の出力
と制御係数との演算出力で前記付加音源を制御する制御
手段、誤差信号検出手段および前記誤差信号検出手段の
出力と前記センシング手段の出力とを導入して前記制御
手段の前記制御係数を時々刻々適応的に算出して更新す
る制御係数算出手段を用いて音響反射の存在する空間に
侵入する騒音の音響パワーを低減する能動消音系を設計
する際して、前記空間への騒音侵入口の音圧分布を測定
して騒音源の位置を決定した後に付加音源の設置可能範
囲内におけるパワー低下量の計算を行って付加音源の位
置を決定し、上記騒音源の位置および付加音源の位置に
基づいて上記付加音源から上記騒音の侵入口における振
動面の騒音に対して逆位相で同じ体積速度（振幅）の音
響エネルギを放出させたときにできる節（音圧最小点）
の位置に前記誤差信号検出手段を配置できるか否かの判
定を優先して行うことを特徴としている。

【００１０】請求項１に係る能動消音装置では、付加音
源を空間における騒音の侵入口の近くに配置するととも
に上記付加音源から上記騒音の侵入口における振動面の
騒音に対して逆位相で同じ体積速度（振幅）の音響エネ
ルギを放出させたときにできる節（音圧最小点）の位置
に誤差信号検出手段を配置している。

【００１１】上述した節の位置（音圧最小点）に誤差信
号検出手段を配置し、適応能動制御を実行することで、
空間に放射する音響パワーを低減でき、空間全領域を消
音することができる。

【００１２】以下に、その理由を説明する。なお、ここ
では、騒音源をモノポール音源としてとり扱い、付加音
源をスピーカで構成し、誤差信号検出手段をマイクで構
成するものとして扱う。

【００１３】閉空間に限らず開放空間においても、適応
能動制御で音響パワーを最小とする誤差マイクの最適配
置導出法には次の２つの手法がある。

【００１４】手法１．誤差マイクの位置と付加音源の音
圧位相、振幅（体積速度）の関係をまず求め、これによ
り誤差マイクの位置の違いによる音響パワーの変化の様
子を調べる。

【００１５】手法２．付加音源の音圧が騒音に対して逆
位相、同振幅になるときに音響パワーが最小となること
を利用し、逆位相、同振幅の付加音源を配したときの節
の位置を求め、この位置を誤差マイクの最適配置とす
る。

【００１６】反射がない開放空間で付加音源が２個くら
いまでならば、手法１で求める方が正確に誤差マイク位
置と音響パワーとの関係を導くことができる。

【００１７】たとえば、図３(a) のように、音源１１の
音圧に対して２つの付加音源１２の音圧がどちらも位相
θずれおり、かつ同振幅の場合には、音源１１からｒ1
離れた場所にある誤差マイク１３の音圧Ｐは、

【００１８】

【数１】 となる。

【００１９】能動制御によりＰ＝０となることから、

【００２０】

【数２】

【００２１】

【数３】

【００２２】

【数４】 次に、音響パワーと付加音源１２の音圧の位相、振幅と
の関係が次式となることから、

【００２３】

【数５】 式(3) ,(4)を式(5) に代入することで、誤差マイク１３
の位置の違いによる音響パワー低下量を求めることがで
きる。

【００２４】計算機を使用すれば、誤差マイク１３の位
置毎の音響パワーを簡単に計算することができ、音響パ
ワー最小となる誤差マイク１３の最適配置を求めること
ができる。

【００２５】一方、最適配置だけを求めるのであるなら
ば、音響パワーが最小となる付加音源１２の条件は音圧
が逆位相、同振幅であることから、式(3) 、式(4) よ
り、ｒ1 ＝ｒ2 ＝ｒ3 が最適配置となる。図３(b) のよ
うにｄ＝ｒ1 のときには正三角形、ｄ≠ｒ1 のときには
図３(c) に示すように誤差マイク１３を遠ざけるほどｒ
1 とｒ2 とが近い値となり音響パワーが低下する。

【００２６】本発明が対象としている反射のある空間の
場合、最適配置の導出に際して手法１がさらに複雑にな
ることから、式(3) および式(4) を導くのに手間が非常
に掛かる。また、式(5) に代入して最適配置を求める以
前に、θ＝π、Ａ2 ／Ａ1 ＝1/2 を式(3) 式(4) に代入
して配置を見積るにも手間がかかる。

【００２７】具体的に式を使って説明する。

【００２８】今、図４に示すように、騒音が閉空間１４
の隅の入口から侵入し、第一波のみの反射を仮定した場
合、鏡像音源の原理を用いて誤差マイク１３の位置にお
ける音圧を求めると式(6) となる。

【００２９】

【数６】 ここでＰ→０より

【００３０】

【数７】

【００３１】

【数８】

【００３２】

【数９】 とすると、

【００３３】

【数１０】 このようにして、音圧の位相を求めることは式(3) と比
べて複雑になる。振幅についても同様で式(7) に代入す
ることで得られるが複雑となる。

【００３４】すなわち、反射のある空間を対象にしたと
きには、手法１を用いて誤差マイク１３の位置を手計算
で求めることは難しい。

【００３５】したがって、反射のある空間を対象にした
ときには、まず手法２を用いて逆位相、同振幅の付加音
源１２を配したときの節（音圧最小点）の位置を求める
ことで、誤差マイク１３の最適配置を見積る作業を優先
することが得策である。

【００３６】まず、θ＝π、Ａ2 ／Ａ1 ＝1/2 となる最
適条件を式(6) に代入すると、

【００３７】

【数１１】 となる。

【００３８】節となる位置は、Ｐ＝０より、

【００３９】

【数１２】 となる。

【００４０】ここで、低周波数を対象としていることか
ら、

【００４１】

【数１３】

【００４２】

【数１４】 ここで、空間の壁面が剛で完全反射である場合には、

【００４３】

【数１５】 となり、

【００４４】

【数１６】 したがって、この式(16)を満たす誤差マイク１３の位置
が節となる。

【００４５】節に誤差マイク１３を配して能動制御をか
けると、誤差マイク１３の音圧が最小となるように付加
音源１２の音圧が騒音とは逆位相、同振幅に近づくの
で、音響パワーは最小となる。

【００４６】このときの音響パワー変化量は、式(5) に
θ＝π、Ａ2 ／Ａ1 ＝1/2 を代入することによって得ら
れ、式(17)となる。したがって、低周波数ほど、また付
加音源１２を音源１１に近づけるほど消音効果が向上す
る。

【００４７】

【数１７】 このように、反射の影響のある閉空間では鏡像音源も含
めて音源の数が複数になることから、手法１で音響パワ
ーを最小とする最適配置を導出することは難しく、節の
位置を見積る手法２を優先させることによって簡単に導
出できることが判る。

【００４８】図５には反射の影響のある空間を対象にし
て実際に能動消音系を設計する場合の手順が示されてい
る。この場合には、先に説明したように、まず手法２を
用いて誤差マイクの最適位置を見積り、最適化を図る。
そして、手法２では目標を達成できないときには手法１
を用いて誤差マイクの最適位置を求める。このような手
順によって能動消音系の設計を能率よく行うことができ
る。

【００４９】なお、図５中、対策１とは先の狭まった管
を付加音源に取り付けることにより、付加音源を音源に
近付けることで消音効果を向上させるなどの処置をとる
ことを指し、対策２とは初めに誤差マイク位置をきめた
場合の付加音源最適配置の導出などの処置をとることを
指している。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。

【００５１】図１には本発明の一実施形態に係る能動消
音装置の概略構成が示されている。

【００５２】同図において、２１はエレベータの乗り篭
のように音響反射が存在する閉空間を示している。この
閉空間２１にはダクト２２が通じており、このダクト２
２を介して騒音２３が閉空間２１内に侵入し得る状況に
ある。

【００５３】この能動消音装置は適応制御方式を採用し
ており、ダクト２２から侵入する騒音２３と相関のある
信号を検出するセンシング手段としてセンサ２４と、ダ
クト２２の閉空間側の開口部近くに設けられ付加音源と
してのスピーカ２５ａ，２５ｂと、センサ２４の出力と
制御係数との演算出力でスピーカ２５ａ，２５ｂを制御
する制御器２６と、閉空間２１内に設けられた誤差信号
検出手段としての誤差マイク２７と、この誤差マイク２
７の出力とセンサ２４の出力信号をスピーカ２５ａ，２
５ｂから誤差マイク２７までの空間インパルス関数に相
当する遅延回路２８を通して得られた信号とを導入して
制御器２６の制御係数を時々刻々適応的に算出して更新
する制御係数演算器２９とで構成されている。

【００５４】そして、前述の如くスピーカ２５ａ，２５
ｂを閉空間２１における騒音２３の侵入口、つまりダク
ト２２の開口近くに配置するとともに、スピーカ２５
ａ，２５ｂから騒音２３の侵入口における振動面３０の
騒音に対して逆位相で同じ体積速度（振幅）の音響エネ
ルギを放出させたときにできる節（音圧最小点）の位置
に誤差マイク２７を配置している。

【００５５】このように、上述した節の位置３１に誤差
マイク２７を配置しているので、適応能動制御を実行す
ることで、前述した理由で閉空間２１に放射する音響パ
ワーを低減でき、空間全領域を消音することができる。

【００５６】なお、図２に示すように、誤差マイク２７
を閉空間２１内のある限られた領域３２のみにしか配置
できず、節の位置（音圧最小点）３１が領域３２の外部
にある場合には、領域３２の内部において音圧最小とな
る位置３３に誤差マイク２７を配置しても、消音効果は
図１に比べやや劣化するものの、閉空間２１に放射する
音響パワーを低減することができる．次に、実際に本発
明を応用して消音効果を確認した例について説明する。

【００５７】対象とした騒音はエレベータの換気用ファ
ンの騒音である。このファン騒音が図６(a) に示すよう
にダクトを通り、乗り篭内に放射する際の放射音響パワ
ーを低減し、乗り篭内全領域を消音させることを目的と
した。

【００５８】本発明の有効性を検証する意味でファンの
代りにダクト内部に騒音源としてのスピーカを設置し、
これからランダムノイズを出力し、このノイズがダクト
出口から乗り篭内に放射するパワーを低減させる実験を
実施した。図６(a) ,(b)にダクト、付加音源用のスピー
カなどの配置を示す。

【００５９】計算で仮定するモノポール音源（騒音源）
の位置は、ダクト出口（乗り篭空間への侵入口）の最上
部中央に位置し、モノポール付加音源の位置はスピーカ
の振動中心である。アクティブスピーカの設置範囲は室
内から見えない位置、つまり、照明用の天井裏空間と限
定されていることから、設置した時点で図３(b),(c)に
示した開放空間における最適配置とは異なり、図６(c)
に示すように騒音源との間に６７．９度の開き角度が生
じた。

【００６０】なお、このように最適配置からずれている
と、従来では音源、付加音源の配置を変更する手段をと
るが、本発明では音源、付加音源がどのような位置関係
にあっても、また反射の影響を受けようとも、節の位置
を見つけることに主力をおいている。したがって、制約
を受けにくく最適配置の自由度が大きくなり、実用的で
あることが大きな特徴である。

【００６１】この例において、図４に示したような完全
反射を仮定した場合でも、計算による節の位置は、反射
のない結果と比べてほとんど変化がなく、実際に室内の
空間伝達関数を測定した結果からも、誤差マイクの出力
は反射音よりも直接音が支配的であったため、結果的に
は乗り篭は閉空間でありながら、反射の影響が極めて少
ない空間であることが判った。

【００６２】計算により導出した節の位置は図７に示す
ように、室内の天井よりも約２０ｃｍくらい下の側壁、
つまり設置条件である天井裏の照明用の空間の外部であ
った。そこで、照明用空間領域において、音圧が最小と
なる位置を再度見積った結果、図７のように２箇所存在
した。

【００６３】実際に騒音源用スピーカから周期音を発生
させ、この音のダクト出口の騒音振動面に対して逆位
相、同振幅（アクティブスピーカ２個使用のときは１／
２）をアクティブスピーカから出力し、音響パワーが最
小になったことを確認した後に、図８(a) に示す誤差マ
イク設置可能範囲のダクト出口付近の音圧分布を測定し
たところ、図８(b) に示す結果が得られた。この図から
判るように、周波数に左右されずに２箇所で音圧が低減
することを確認した。これは図７のシミュレーション
（線上（天井面）の２点）結果とほぼ一致している。

【００６４】したがって、この位置（左側１箇所）に誤
差マイクを設置して、ランダムノイズ音源を対象として
適応能動制御を実施した。

【００６５】そして、室内の図９に示す４隅及中間（Ａ
１〜Ｃ２計６点）で音圧を測定したところ、能動制御前
後において、図１０，図１１に示すように音圧スペクト
ル変化値（Ａスケール）が観測された。なお、これらの
図において、上側のデータが能動制御前、下側のデータ
が能動制御を行ったときのものである。

【００６６】図１０，図１１から判るように、本発明の
手法を採用することにより、閉空間に放射するパワーを
低減でき、室内全領域で音圧レベルが約５〜８ｄＢ低下
し、聴感上もはっきりと消音効果を確認することができ
た。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
節の位置に誤差マイクを配置し、適応能動制御を実行す
ることで、反射の影響のある閉空間に放射する騒音の音
響パワーを低減させることができる。また、節の位置
（音圧最小点）が誤差マイクの設置可能範囲外にある場
合でも、設置可能範囲内において音圧最小となる位置に
誤差マイクを配置することにより、節に配置した場合と
比べやや劣化するものの、閉空間に放射する音響パワー
を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る能動消音装置の概略
構成図

【図２】本発明の別の実施形態に係る能動消音装置の概
要構成図

【図３】音源に対して２つの付加音源と誤差マイクとを
使用して能動制御で音響パワーを最小とすることを説明
するための図

【図４】反射がある閉空間にある音源に対して２つの付
加音源と誤差マイクとを使用して能動制御で音響パワー
を最小とすることを説明するための図

【図５】本発明に係る設計方法の手順を示す図

【図６】エレベータの乗り篭の設けられた換気用ファン
の騒音を本発明を用いて消音したときの各部の配置関係
等を示す図

【図７】音源と付加音源の位置関係により決まる節の位
置と誤差マイク設置範囲が限定されたときの誤差マイク
の最適配置を説明するための図

【図８】音源付近の音圧分布実測値例を説明するための
図

【図９】エレベータの乗り篭内の消音効果を評価する位
置を示す図

【図１０】エレベータの乗り篭内の消音効果を示す図

【図１１】エレベータの乗り篭内の消音効果を示す図

【図１２】従来技術を説明するための図

【図１３】従来技術を説明するための図

【符号の説明】

２１…閉空間 ２２…ダクト ２３…騒音 ２４…センシング手段としてのセンサ ２５ａ，２５ｂ…付加音源としてのスピーカ ２６…制御器 ２７…誤差信号検出手段としての誤差マイク ２８…遅延回路 ２９…制御係数演算器 ３０…騒音振動面 ３１…節の位置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】音響反射の存在する空間に侵入する騒音の
   音響パワーを低減する能動消音装置であって、 前記騒音と相関のある信号を検出するセンシング手段
   と、付加音源と、前記センシング手段の出力と制御係数
   との演算出力で前記付加音源を制御する制御手段と、前
   記空間に設けられた誤差信号検出手段と、この誤差信号
   検出手段の出力と前記センシング手段の出力とを導入し
   て前記制御手段の前記制御係数を時々刻々適応的に算出
   して更新する制御係数算出手段とを備え、 前記付加音源を前記空間における前記騒音の侵入口の近
   くに配置するとともに上記付加音源から上記騒音の侵入
   口における振動面の騒音に対して逆位相で同じ体積速度
   （振幅）の音響エネルギを放出させたときにできる節
   （音圧最小点）の位置に前記誤差信号検出手段を配置し
   てなることを特徴とする能動消音装置。
2. 【請求項２】音響反射の存在する空間に侵入する騒音の
   音響パワーを低減する能動消音装置であって、 前記騒音と相関のある信号を検出するセンシング手段
   と、付加音源と、前記センシング手段の出力と制御係数
   との演算出力で前記付加音源を制御する制御手段と、前
   記空間に設けられた誤差信号検出手段と、この誤差信号
   検出手段の出力と前記センシング手段の出力とを導入し
   て前記制御手段の前記制御係数を時々刻々適応的に算出
   して更新する制御係数算出手段とを備え、 前記付加音源を前記空間における前記騒音の侵入口の近
   くに配置するとともに前記誤差信号検出手段を予め設定
   された領域内で、かつ上記付加音源から上記騒音の侵入
   口における振動面の騒音に対して逆位相で同じ体積速度
   （振幅）の音響エネルギを放出させたときに音圧最小と
   なる位置に配置してなることを特徴とする能動消音装
   置。
3. 【請求項３】騒音と相関のある信号を検出するセンシン
   グ手段、付加音源、前記センシング手段の出力と制御係
   数との演算出力で前記付加音源を制御する制御手段、誤
   差信号検出手段および前記誤差信号検出手段の出力と前
   記センシング手段の出力とを導入して前記制御手段の前
   記制御係数を時々刻々適応的に算出して更新する制御係
   数算出手段を用いて音響反射の存在する空間に侵入する
   騒音の音響パワーを低減する能動消音系を設計するに際
   して、 前記空間への騒音侵入口の音圧分布を測定して騒音源の
   位置を決定した後に付加音源の設置可能範囲内における
   パワー低下量の計算を行って付加音源の位置を決定し、
   上記騒音源の位置および付加音源の位置に基づいて上記
   付加音源から上記騒音の侵入口における振動面の騒音に
   対して逆位相で同じ体積速度（振幅）の音響エネルギを
   放出させたときにできる節（音圧最小点）の位置に前記
   誤差信号検出手段を配置できるか否かの判定を優先して
   行うことを特徴とする能動消音系の設計方法。