アクティブ防音装置及びアクティブ防音方法
【課題】閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置において、簡単な構造で、広い周波数域において消音効果を向上させる。
【解決手段】閉空間部２３を有する防音ボックス３と、閉空間部２３の上側端部に配置され、閉空間部２３内の音信号を集音する第１マイク５と、集音された音信号に基づいて、騒音を消音するような消音信号を生成するコントローラ１１と、閉空間部２３の上端から下端に向けて消音信号を出力するスピーカー９とを備えたアクティブ防音装置１である。閉空間部２３内に発生する１次音圧モードの定在波の、閉空間部２３の上側端部における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される第２マイク７をさらに備えている。コントローラ１１は、１次の共振を打ち消すように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号とを回路上で合成して消音信号とする。
【解決手段】閉空間部２３を有する防音ボックス３と、閉空間部２３の上側端部に配置され、閉空間部２３内の音信号を集音する第１マイク５と、集音された音信号に基づいて、騒音を消音するような消音信号を生成するコントローラ１１と、閉空間部２３の上端から下端に向けて消音信号を出力するスピーカー９とを備えたアクティブ防音装置１である。閉空間部２３内に発生する１次音圧モードの定在波の、閉空間部２３の上側端部における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される第２マイク７をさらに備えている。コントローラ１１は、１次の共振を打ち消すように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号とを回路上で合成して消音信号とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部の騒音源から発生して防音ボックス内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置及びアクティブ防音方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の振動を嫌う精密機器を、騒音による音響振動等から保護すべく、様々な試みがなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、プローブ顕微鏡装置全体を防音カバーで覆おうことが開示されている。しかし、精密機器を防音カバーで覆うだけの構成では、防音としては不十分であり、また、カバー外部の騒音源から発生して防音カバー内に伝播した騒音を低減できないという問題がある。
【０００４】
そこで、騒音による音響振動等から精密機器を保護すべく、フィードバック制御を用いて騒音を低減する技術が多数提案されている。例えば、特許文献２には、顕微鏡本体部に接近した位置にマイクロフォンを配置し、このマイクロフォンからの音響信号の逆位相の信号を制御回路で作成し、この制御回路から逆位相の信号が供給されるスピーカーからの音波により、顕微鏡本体部の所定位置における音を打ち消すように構成した顕微鏡の振動防止装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８２１１８号公報
【特許文献２】特開平１０−１４８２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、防音効果を高めるべく、上記特許文献１に記載されるような防音カバー（防音ボックス）と、特許文献２に記載されるようなフィードバック制御とを組み合わせたアクティブ防音装置を用いることが考えられる。しかし、かかるアクティブ防音装置では、防音ボックスの閉空間部内に定在波が生じ、共振周波数において共振が発生することに起因して、以下のような問題が生じる。
【０００７】
図９は、精密機器を外部の騒音から保護するためのアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１０１は、走査型プローブ顕微鏡１９を収容するための円柱状の閉空間部１２３を有する円筒形の防音ボックス１０３と、当該閉空間部１２３の筒軸方向一方側（上下方向上側）の端部に配置され、当該閉空間部１２３内の音信号を集音するマイク１０５と、当該マイク１０５によって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して閉空間部１２３内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するコントローラ（フィルタ回路１３１、スピーカードライバー１４１、マイクプリアンプ１５１）１１１と、閉空間部１２３の筒軸方向一方側端に配置され、消音信号を閉空間部１２３内に出力するスピーカー１０９と、を備えている。なお、このアクティブ防音装置１０１では、閉空間部１２３の筒軸方向の長さは５００（ｍｍ）に設定されている。
【０００８】
図１０は、このアクティブ防音装置１０１において、フィルタ回路１３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー１０９から閉空間部１２３に出力することにより、当該防音ボックス１０３のプラント特性（伝達率（ゲイン）及び位相）を測定した結果を示す図である。
【０００９】
図１０から、この防音ボックス１０３では、４００（Ｈｚ）付近に１つの大きな共振と、１０００（Ｈｚ）以上で複数の大きな共振とが生じることが分かる。ここで、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えなければ、その制御系は安定となり、また、ゲインが０（ｄＢ）を超えても位相が０度を横切らなければ、制御系は安定となるところ、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えているので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることになる。
【００１０】
そこで、１０００（Ｈｚ）以上の複数の共振を０（ｄＢ）以下に落とす必要があるが、個々の共振を、特定の周波数成分を減衰させるノッチフィルタで減衰させるのは、共振点の数が多いことから現実的ではない。このため、高い周波数成分を抑制する一方低い周波数成分を取り出すローパスフィルタ（以下、ＬＰＦともいう）を用いて、これらの共振を減衰させることが考えられる。
【００１１】
図１１は、フィルタ回路１３１をＯＮにした状態で、具体的には、カットオフ周波数５０（Ｈｚ）のＬＰＦを追加して、防音ボックス１０３のプラント特性を測定した結果を示す図であり、図中の点線はＬＰＦを追加する前のプラント特性を、図中の実線はＬＰＦを追加した後のプラント特性を、また、図中の破線はＬＰＦの特性をそれぞれ示す。図１１から分かるように、ＬＰＦを用いたことにより、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）より小さくなるので、発振状態に陥るおそれはないが、ＬＰＦを用いるとカットオフ周波数の前後で位相が９０度遅れることから、今度は４００（Ｈｚ）付近で位相が０度を横切ることになる。
【００１２】
そこで、４００（Ｈｚ）付近における共振に起因して発振状態に陥ることを抑えるために、ノッチフィルタを用いることも考えられるが、帯域の狭いノッチフィルタを共振周波数に合わせるのは困難である。また、図１２（ａ）の点線で示すように、ＬＰＦのカットオフ周波数を５０（Ｈｚ）よりも低くすることや、図１２（ａ）の太線で示すように、ＬＰＦをもう一段追加することが考えられるが、図１２（ｂ）に示すように、いずれの場合にも、位相がさらに遅れてしまうことから、騒音を消音制御するために必要な周波数域が狭くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、閉空間部内に配置されるマイクによって集音された音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置において、簡単な構造で、広い周波数域において消音効果を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明では、閉空間部内に設けられ、且つ、当該閉空間部内に発生する１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の節以外の領域に配置される主マイクの他に、副マイクを当該閉空間部内に設けるとともに、１次又は１次〜ｎ次の共振において、副マイクと主マイクとによってそれぞれ集音される音信号の位相が反転するような位置に、かかる副マイクを配置するようにしている。
【００１５】
具体的には、第１の発明は、機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイクと、上記主マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えたアクティブ防音装置を対象とする。
【００１６】
そして、上記主マイクは、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に配置されており、上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される副マイクをさらに備え、上記フィードバック制御手段は、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とするように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
なお、本発明において、「防音ボックス」とは、閉空間部を有する容器であればよく、略直方体状の閉空間部に限らず、例えば、円筒状や多角形筒状の閉空間部を有するものも含む。
【００１８】
第１の発明によれば、外部の騒音源から発生した騒音が閉空間部内に伝播すると、主マイク及び副マイクがかかる騒音を集音するとともに、フィードバック制御手段が、主マイク及び副マイクによって集音された騒音の音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するような消音信号を生成する。そうして、スピーカーがかかる消音信号を閉空間部内に出力することによって、閉空間部内に伝播する騒音が消音される。
【００１９】
もっとも、閉空間内で、音信号がスピーカーから常に一定方向に出力されると、かかる閉空間内には定在波が発生し、防音ボックスの特性で決まる共振周波数において共振が発生することになる。このように共振が生じると、共振点の付近では音信号の位相が大幅に遅れて、この音信号を帰還させるようにしたフィードバックループにおいて位相交点が現れることがある。そうして、かかる位相交点においてゲインが０（ｄＢ）を超えていると、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥るおそれがある。
【００２０】
そこで、第１の発明のアクティブ防音装置では、消音信号により閉空間部内に発生する、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、副マイクを配置するようにしている。このように、副マイクを配置することにより、主マイクが例えばｎ次音圧モードの定在波の腹における音圧を集音すると、副マイクがこれとは逆位相の腹又はその近傍における音圧を集音することになる。故に、主マイクによって集音された音信号と、副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、ｎ次の共振があたかも打ち消されるように減衰され、かかるｎ次の共振が減衰された消音信号がスピーカーから閉空間部内に出力されることになる。
【００２１】
そうして、スピーカーから閉空間部内に出力された消音信号は、ｎ次の共振が減衰していることを除けば、元の集音信号と同じ信号なので、外部の騒音源から発生して閉空間部内に伝播する騒音を効果的に消音することができる。また、消音信号を出力し続ける限り、閉空間部内には、１次〜ｎ次の共振が常時発生していることになるが、上述の如く、各フィードバックループにおいてｎ次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００２２】
このように、第１の発明のアクティブ防音装置では、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、例えば、１次及び２次の共振を減衰させた場合には、１次及び２次の共振周波数においてＬＰＦ等のフィルタを用いる必要がなくなる（必要に応じて３次以上の共振周波数においてのみフィルタを用いればよい）ことから、これらの周波数でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御に必要な周波数域（以下、制御対象周波数域ともいう）が１次共振周波数よりも低い周波数域に設定されているような場合には、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００２３】
以上により、第１の発明によれば、閉空間部内に配置されるマイクによって集音された音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置において、簡単な構造で、広い周波数域において消音効果を向上させることが可能となる。
【００２４】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記閉空間部は、少なくとも一対の対向する面によって区画され、上記主マイクは、上記一対の面が対向する対向方向の端部に配置され、上記スピーカーは、上記消音信号を、上記閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力するように構成されていることを特徴とするものである。
【００２５】
第２の発明では、スピーカーが消音信号を閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力することから、かかる閉空間部には、対向方向の両端部が腹となる、１次〜ｎ次音圧モードの定在波が発生する。そうして、主マイクは対向方向の端部に配置されることから、主マイクを容易に１次〜ｎ次音圧モードの定在波の節以外の領域に配置することができる。
【００２６】
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記主マイク及び副マイクは、各音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、が同じになるように、上記閉空間部内に配置されることを特徴とするものである。
【００２７】
第３の発明によれば、各音圧モードの定在波における、主マイクの設置位置（閉空間部の対向方向の端部）の位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数（主マイクを含む）と、これと逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数とが同じになるように、副マイクが配置されるので、換言すると、複数のマイクが、互いに打ち消し合うような音信号を対で集音するので、複雑な音信号の合成割合の調整を要することなく、ｎ次の共振を減衰させることができる。
【００２８】
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記フィードバック制御手段は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することを特徴とするものである。
【００２９】
第４の発明によれば、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置に副マイクを設置しなくても、逆位相となる位置の近傍に（位相が反転する位置に）副マイクを設置して、各信号の合成割合を調整することにより、１次又は１次〜ｎ次の共振を確実に減衰させることができる。
【００３０】
第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、上記防音ボックスには、上記閉空間部を区画する面に、吸音材が設けられていることを特徴とするものである。
【００３１】
第５の発明によれば、第１〜第４の発明による消音効果と、吸音材による消音効果とが相俟って、制御対象周波数域における消音効果をより一層高めることができる。
【００３２】
第６の発明は、機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイク及び少なくとも１つの副マイクと、上記主マイク及び副マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えた装置を用意し、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に上記主マイクを配置し、上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に上記副マイクを配置し、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とすることを特徴とするアクティブ防音方法である。
【００３３】
第６の発明によれば、上記第１の発明と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係るアクティブ防音装置及びアクティブ防音方法によれば、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、副マイクを配置することから、これらの音信号を回路上で合成することによって、１次又は１次〜ｎ次の共振を減衰させることができる。このように、各フィードバックループにおいて１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００３５】
また、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、１次又は１次〜ｎ次の共振周波数においてフィルタを用いる必要がなくなることから、これらの周波数でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態１に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図２】防音ボックス内に生じる１次音圧モードの定在波を模式的に示す図である。
【図３】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図４】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図５】アクティブ防音装置による消音効果を示す図である。
【図６】実施形態２に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図７】防音ボックス内に生じる２次音圧モードの定在波を模式的に示す図である。
【図８】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図９】従来のアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図１０】従来の防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図１１】従来の防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図１２】ＬＰＦの特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１は、振動を嫌う精密機器（本実施形態では走査型プローブ顕微鏡）１９を、騒音による音響振動等から保護するためのものであり、走査型プローブ顕微鏡１９を収容するための閉空間部２３を有する防音ボックス３と、当該閉空間部２３内の音信号を集音する第１マイク（主マイク）５及び第２マイク（副マイク）７と、当該閉空間部２３内に伝播する騒音を消音するような消音信号を生成するコントローラ（フィードバック制御手段）１１と、かかる消音信号を当該閉空間部２３内に出力するスピーカー９と、を備えている。なお、本実施形態のアクティブ防音装置１では、制御対象周波数域が１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近に想定されている。
【００３９】
防音ボックス３は、図１に示すように、略円筒状に形成されており、有頂筒状に形成されたアクリル製の本体部１３と、本体部１３の下端部の内周面に取り付けられるアルミ製の底壁部３３と、本体部１３の上端部の内周面に取り付けられる、略円盤状のアルミ製の仕切壁部４３と、を有している。このように、仕切壁部４３を本体部１３の上端部の内周面に取り付け、且つ、本体部１３の解放端を底壁部３３で閉じることにより、かかる防音ボックス３には、本体部１３の内周面と、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ（一対の対向する面）とによって区画される閉空間部２３が形成されている。なお、本実施形態では、底壁部３３の上面３３ａと仕切壁部４３の下面４３ａとの間隔、すなわち、閉空間部２３の筒軸方向の長さは、５００（ｍｍ）に設定されている。
【００４０】
そうして、走査型プローブ顕微鏡１９をこの閉空間部２３に収容することで、本実施形態に係るアクティブ防音装置１では、当該走査型プローブ顕微鏡１９を、外部の騒音による音響振動等からある程度保護することが可能となっている。なお、本実施形態では、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ（一対の面）が対向する対向方向（筒軸方向）と、上下方向が一致することから、以下、対向方向を上下方向として説明する。
【００４１】
第１マイク５は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の上側の端部に配置されており、スピーカー９の近傍で当該閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、この第１マイク５により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ５１に入力される。
【００４２】
第２マイク７は、第１マイク５と同様に、閉空間部２３内に配置されており、第１マイク５とは異なる位置で当該閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、この第２マイク７により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ６１に入力される。
【００４３】
スピーカー９は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の上端に、より具体的には、仕切壁部４３の中央部に埋め込まれるように配置されている。このスピーカー９は、コントローラ１１内のスピーカードライバー４１から入力された電流に応じて、消音信号を当該閉空間部２３内に上下方向上側端から下側端に向けて出力する。
【００４４】
コントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を増幅するためのマイクプリアンプ５１，６１と、各マイク５，７で集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器２１と、加算合成された音信号にローパスフィルタ（ＬＰＦ）をかけるか否かを選択可能であり且つＬＰＦをかける際のカットオフ周波数を設定可能なフィルタ回路３１と、電圧信号の形で入力される音信号を電流に変換してスピーカー９に出力するスピーカードライバー４１とを、有している。そうして、このコントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源（図示せず）から発生して閉空間部２３内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するように構成されている。
【００４５】
具体的には、コントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号をマイクプリアンプ５１，６１で増幅し、かかる増幅された音信号の音圧の合成割合を加算器２１で調整して、加算合成された音信号に必要に応じてＬＰＦをかけた後、スピーカードライバー４１からスピーカー９に対して電流を出力することによって、閉空間部２３内に伝播する騒音を消音するような、例えば、騒音と逆位相且つ同振幅の消音信号を出力するように構成されている。
【００４６】
以上の構成により、本実施形態のアクティブ防音装置１によれば、走査型プローブ顕微鏡１９を防音ボックス３の閉空間部２３に収容するとともに、アクリル製の本体部１３を通過して閉空間部２３内に伝播する騒音を、コントローラ１１で生成されスピーカー９から出力される消音信号によって減衰させることにより、騒音による音響振動等から走査型プローブ顕微鏡１９を保護することができる。
【００４７】
ところで、閉空間部２３内には、消音信号が常に上側端から下側端に向けてスピーカー９から出力されることから、閉空間部２３内にはかかる消音信号に起因して定在波が発生している。このため、当該閉空間部２３内には、防音ボックス３の上下方向長さで決まる共振周波数において共振が発生することになる。
【００４８】
ここで、本実施形態のアクティブ防音装置１では、閉空間部２３の上下方向の長さが、上記図９に示した従来のアクティブ防音装置１０１と同様に５００（ｍｍ）に設定されていることから、従来のアクティブ防音装置１０１と同様に第１マイク５しか用いない場合には、防音ボックス３内には、４００（Ｈｚ）付近に１つの大きな共振と、１０００（Ｈｚ）以上で複数の大きな共振とが生じることになる（図１０参照）。そうして、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えているので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることになる。
【００４９】
このため、１０００（Ｈｚ）以上の複数の共振を０（ｄＢ）以下に落とす必要があるが、ＬＰＦを用いてこれらの共振を減衰させると、上記図１１に示すように、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）以下となるものの、ＬＰＦのカットオフ周波数の前後で位相が９０度遅れることから、今度は４００（Ｈｚ）付近で位相が０度を横切ることになる。
【００５０】
そこで、４００（Ｈｚ）付近における共振に起因して発振状態に陥ることを抑えるために、ノッチフィルタを用いることやＬＰＦを用いることが考えられるが、帯域の狭いノッチフィルタを共振周波数に合わせるのは困難であるし、また、ＬＰＦを用いると、位相がさらに遅れてしまうため、騒音を消音制御するために必要な周波数域である制御対象周波数域が狭くなるという問題がある。
【００５１】
そこで、本実施形態のアクティブ防音装置１では、消音信号により閉空間部２３内に発生する１次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置（対向方向の一方側の端部）における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第２マイク７を配置するとともに、１次の共振を打ち消す（減衰させる）ように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号とを回路上で合成し、かかる加算合成された音信号を消音信号とするようにコントローラ１１を構成している。
【００５２】
具体的には、本実施形態のアクティブ防音装置１では、図２に示すように、閉空間部２３内に１／２波長の１次音圧モードの定在波が存在しているところ、第１マイク５がかかる定在波における腹Ｐ１の近傍に設置されている一方、第２マイク７が腹Ｐ１と逆位相の腹Ｐ２の近傍に設置されている。このように、第２マイク７を設置することにより、第１マイク５が１次音圧モードの定在波における腹Ｐ１の近傍における音圧を集音すると、第２マイク７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ２の近傍における音圧を集音することになる。これにより、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、１次の共振があたかも打ち消されるように減衰され、かかる１次の共振が減衰された消音信号が、スピーカー９から閉空間部２３内に出力される。
【００５３】
このように、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次の共振が減衰されるので、１次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、換言すると、必要に応じて２次以上の共振周波数においてのみＬＰＦを用いればよいことから、低い周波数域でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近で位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００５４】
なお、第１及び第２マイク５，７を設置する際に設置誤差が生じることや、図２に示す模式図とは異なり、実際には閉空間部２３内に走査型プローブ顕微鏡１９が配置されていることから、第１マイク５の設置位置における位相と、第２マイク７の設置位置における位相とが、反転はしているものの逆位相とならない場合があるが、コントローラ１１は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器２１を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することが可能なので、逆位相となる位置の近傍に第２マイク７を設置した場合にも、１次の共振を確実に減衰させることができる。
【００５５】
そうして、スピーカー９から閉空間部２３内に出力された消音信号は、１次の共振が減衰していることを除けば、元の集音信号と同じ信号なので、外部の騒音源から発生して閉空間部２３内に伝播する騒音を効果的に消音することができる。また、消音信号を出力し続ける限り、閉空間部２３内には、１次の共振が常時発生していることになるが、上述の如く、各フィードバックループにおいて１次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００５６】
次に、本実施形態のアクティブ防音装置１による効果を確認するために行ったシミュレーション実験の結果を説明する。
【００５７】
先ず、図９に示す、マイクが１つの従来のアクティブ防音装置１０１と、図１に示す、マイクが２つの本実施形態のアクティブ防音装置１とを用意し、共にフィルタ回路３１，１３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９，１０９から閉空間部２３，１２３に出力することにより、これらの防音ボックス３，１０３のプラント特性（ゲイン及び位相）を比較した。その結果を図３に示す。
【００５８】
図３の点線は、マイクが１つの防音ボックス１０３のプラント特性を、図３の実線は、本実施形態に係るマイクが２つの防音ボックス３のプラント特性をそれぞれ示している。図３から、マイクが１つの防音ボックス１０３において４００（Ｈｚ）付近に生じていた１次の共振が、本実施形態に係る防音ボックス３では消えている（減衰されている）ことが分かった。これにより、第１マイク５の設置位置における位相と逆位相となる位置（又はその近傍）に、第２マイク７を配置するとともに、これら第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を回路上で合成することにより、ＬＰＦを用いなくても１次の共振を減衰させることが可能であることが確認された。
【００５９】
次に、図１に示す本実施形態のアクティブ防音装置１を用意し、フィルタ回路３１をＯＦＦにした状態と、フィルタ回路３１をＯＮにした状態とで、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９から閉空間部２３に出力することにより、ＬＰＦの有無による防音ボックス３のプラント特性の違いを測定した。その結果を図４に示す。
【００６０】
図４の点線は、フィルタ回路３１をＯＦＦにした場合の防音ボックス３のプラント特性を、図４の実線は、フィルタ回路３１をＯＮにしてＬＰＦを追加した場合の防音ボックス３のプラント特性を、また、破線は、ＬＰＦの特性をそれぞれ示している。図４から、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近に位相遅れの影響を与えることなく、カットオフ周波数を高い周波数に設定したＬＰＦを用いて、１０００（Ｈｚ）を超える高い周波数の共振を減衰させることが可能であることが分かった。また、ＬＰＦにより減衰された共振に対して、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近のゲインが大きくなることも確認された。
【００６１】
次に、図９に示す、マイクが１つの従来のアクティブ防音装置１０１と、図１に示す、マイクが２つの本実施形態のアクティブ防音装置１とを用意し、共にフィルタ回路３１，１３１をＯＮにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９，１０９から閉空間部２３，１２３に出力することにより、これらの防音ボックス３，１０３の消音効果を比較した。その結果を図５に示す。
【００６２】
図５の点線は、マイクが１つの従来のフィードバック制御による消音効果を、図５の実線は、本実施形態に係るアクティブ防音装置１による消音効果をそれぞれ示している。なお、図５は、制御を行っていない状態を基準（０（ｄＢ））として、制御時の消音効果を示すものであり、マイナス側ほど消音効果が高いことを示している。図５から、マイクが１つの従来のフィードバック制御では、カットオフ周波数が低い周波数に設定されたＬＰＦの影響により、８（Ｈｚ）〜６０（Ｈｚ）でしか消音効果が得られていないことが分かった。これに対して、２つのマイク５，７によって１次の共振を減衰させることにより、ＬＰＦのカットオフ周波数を高い周波数に設定可能な本実施形態に係るアクティブ防音装置１では、８（Ｈｚ）〜１３０（Ｈｚ）という広い範囲で消音効果が得られることが分かった。これにより、２つのマイク５，７を用いて１次の共振を減衰させるだけでも、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となることが確認された。
【００６３】
−効果−
本実施形態によれば、１次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第２マイク７を配置することから、これら第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を回路上で合成することによって、１次の共振を減衰させることができる。このように、各フィードバックループにおいて１次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００６４】
また、１次の共振が減衰されるので、１次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、１次の共振周波数付近でＬＰＦに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００６５】
（実施形態２）
本実施形態は、第３マイク１７を用いる点、及び、閉空間部２３を区画する面に吸音材５３を設けている点が実施形態１と異なるものである。以下、実施形態１と異なる点について説明する。
【００６６】
図６は、本実施形態に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１は、上記防音ボックス３、第１及び第２マイク５，７、コントローラ１１並びにスピーカー９に加えて、閉空間部２３内の音信号を集音する第３マイク（副マイク）１７と、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ以外の、閉空間部２３を区画する面、すなわち、アクリル製の本体部１３の内周面に取り付けられる吸音材５３と、をさらに備えている。
【００６７】
吸音材５３は、例えば、アルミ不織布やグラスウール、燒結金属などの多孔質材料または穴あき板であり、これを本体部１３の内周面に配設することによって、騒音の振動エネルギーを効果的に吸収して、共振の影響を減少させることができる。
【００６８】
第３マイク１７は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の中央に配置されていて、第１マイク５と第２マイク７との間で、閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、第３マイク１７により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ７１に入力される。
【００６９】
コントローラ１１は、第１〜第３マイク５，７，１７によって集音された音信号をマイクプリアンプ５１，６１，７１で増幅し、かかる増幅された音信号の音圧の合成割合を加算器２１で調整して、加算合成された音信号に必要に応じてＬＰＦをかけた後、スピーカードライバー４１からスピーカー９に対して電流を出力するようになっている。
【００７０】
そうして、本実施形態のアクティブ防音装置１では、消音信号により閉空間部２３内に発生する２次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置（対向方向の一方側の端部）における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第３マイク１７を配置するとともに、１次及び２次の共振を打ち消す（減衰させる）ように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２及び第３マイク７，１７によって集音された音信号とを回路上で合成し、かかる加算合成された音信号を消音信号とするようにコントローラ１１を構成している。
【００７１】
具体的には、本実施形態のアクティブ防音装置１では、図７に示すように、閉空間部２３内に１波長（１／２波長の２倍の波長）の２次音圧モードの定在波が存在しているところ、第１マイク５がかかる定在波における腹Ｐ１の近傍に設置されている一方、第３マイク１７がこれと逆位相の腹Ｐ３の近傍に設置されている。このように、第３マイク１７を設置することにより、第１マイク５が２次音圧モードの定在波における腹Ｐ１の近傍における音圧を集音すると、第３マイク１７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ３の近傍における音圧を集音することになる。これにより、第１マイク５によって集音された音信号と、第３マイク１７によって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、２次の共振があたかも打ち消されるように減衰される。したがって、第１〜第３マイク５，７，１７を用いることにより、１次及び２次の共振が減衰された消音信号が、スピーカー９から閉空間部２３内に出力されることになる。
【００７２】
このように、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次のみならず２次の共振が減衰されるので、１次及び２次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、ＬＰＦのカットオフ周波数をさらに高い周波数に設定することが可能となり、制御対象周波数域をさらに広げることができる。また、このことと、吸音材５３による消音効果とが相俟って、制御対象周波数域における消音効果をより一層高めることができる。
【００７３】
ここで、１次音圧モードの定在波については、第１マイク５が腹Ｐ１の近傍における音圧を、また、第２マイク７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ２の近傍における音圧を、それぞれ集音する一方、第３マイク１７は、１次音圧モードの定在波の節における音圧を集音するので、１次の共振を減衰させる際にかかる第３マイク１７による影響はほとんどない。
【００７４】
これに対し、２次音圧モードの定在波については、図７に示すように、第１マイク５が腹Ｐ１の近傍における音圧を、また、第３マイク１７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ３の近傍における音圧を、それぞれ集音する一方、第２マイク７は、腹Ｐ１と同位相の腹Ｐ２’の近傍における音圧を集音することになるので、２次の共振を減衰させる際に第２マイク７による影響が生じることになる。しかしながら、コントローラ１１は、加算器２１によって各信号の合成割合を調整することが可能なので、例えば、第３マイク１７により集音された音信号を大きく増幅させることにより、２次の共振を減衰させる際の第２マイク７による影響を小さくして、１次及び２次の共振を減衰させることが可能となっている。
【００７５】
次に、本実施形態のアクティブ防音装置１による効果を確認するために行ったシミュレーション実験の結果を説明する。実験は、図６に示す本実施形態のアクティブ防音装置１を用意し、フィルタ回路３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９から閉空間部２３に出力することにより、防音ボックス３のプラント特性を測定した。その結果を図８に示す。
【００７６】
図８から、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次のみならず２次の共振が減衰されたことと、吸音材５３による消音効果とが相俟って、ＬＰＦを用いることなく、４００（Ｈｚ）付近に生じる共振及び１０００（Ｈｚ）を超える高い周波数の共振を減衰させることが可能であることが分かった。
【００７７】
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００７８】
上記各実施形態では、断面円形状の閉空間部２３を有する略円筒状の防音ボックス３を用いたが、これに限らず、例えば断面矩形状や断面多角形状の閉空間部を有する防音ボックスや直方体状の防音ボックスを用いてもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態では、一対の対向する面の間（底壁部３３の上面３３ａと仕切壁部４３の下面４３ａとの間）に定在波を発生させるようにしたが、これに限らず、どのような方向に定在波を発生させてもよい。加えて、閉空間部は、定在波が発生するような形状であればよく、少なくとも一対の対向する面によって区画されていなくてもよい。
【００８０】
さらに、上記各実施形態では、定在波の方向（定在波の振幅方向と直角方向）と、スピーカー９の出力方向とを一致させたが、これに限らず、定在波の方向に対して、スピーカー９の出力方向を傾けるようにしてもよい。
【００８１】
また、上記各実施形態では、防音ボックス３を走査型プローブ顕微鏡１９を保護するために用いたが、これに限らず、例えば防音ボックス３を１辺が１ｍ程度の略立方体とし、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の比較的大型の精密機器を保護するために用いてもよい。
【００８２】
さらに、上記実施形態２では、３つのマイクを用いることによって、１次及び２次の共振を減衰させるようにしたが、これに限らず、例えば、３次以上の共振を、４つ以上のマイクを用いることによって減衰させてもよい。
【００８３】
また、上記実施形態２では、吸音材５３として、アルミ不織布やグラスウール、燒結金属などの多孔質材料または穴あき板を例示したが、吸音材５３は他の材質でもよい。
【００８４】
さらに、上記各実施形態では、各音圧モードの定在波に対して用いるマイクを一対としたが、各音圧モードの定在波の、第１マイク５の配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、第１マイク５の配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数とが同じである限り、マイクを２対以上設けてもよい。
【００８５】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上説明したように、本発明は、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置等について有用である。
【符号の説明】
【００８７】
１ アクティブ防音装置
３ 防音ボックス
５ 第１マイク（主マイク）
７ 第２マイク（副マイク）
９ スピーカー
１１ コントローラ（フィードバック制御手段）
１７ 第３マイク（副マイク）
１９ 走査型プローブ顕微鏡（機器）
２１ 加算器
２３ 閉空間部
３３ａ 底壁部の上面（対向する面）
４３ａ 仕切壁部の下面（対向する面）
５３ 吸音材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部の騒音源から発生して防音ボックス内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置及びアクティブ防音方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の振動を嫌う精密機器を、騒音による音響振動等から保護すべく、様々な試みがなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、プローブ顕微鏡装置全体を防音カバーで覆おうことが開示されている。しかし、精密機器を防音カバーで覆うだけの構成では、防音としては不十分であり、また、カバー外部の騒音源から発生して防音カバー内に伝播した騒音を低減できないという問題がある。
【０００４】
そこで、騒音による音響振動等から精密機器を保護すべく、フィードバック制御を用いて騒音を低減する技術が多数提案されている。例えば、特許文献２には、顕微鏡本体部に接近した位置にマイクロフォンを配置し、このマイクロフォンからの音響信号の逆位相の信号を制御回路で作成し、この制御回路から逆位相の信号が供給されるスピーカーからの音波により、顕微鏡本体部の所定位置における音を打ち消すように構成した顕微鏡の振動防止装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８２１１８号公報
【特許文献２】特開平１０−１４８２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、防音効果を高めるべく、上記特許文献１に記載されるような防音カバー（防音ボックス）と、特許文献２に記載されるようなフィードバック制御とを組み合わせたアクティブ防音装置を用いることが考えられる。しかし、かかるアクティブ防音装置では、防音ボックスの閉空間部内に定在波が生じ、共振周波数において共振が発生することに起因して、以下のような問題が生じる。
【０００７】
図９は、精密機器を外部の騒音から保護するためのアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１０１は、走査型プローブ顕微鏡１９を収容するための円柱状の閉空間部１２３を有する円筒形の防音ボックス１０３と、当該閉空間部１２３の筒軸方向一方側（上下方向上側）の端部に配置され、当該閉空間部１２３内の音信号を集音するマイク１０５と、当該マイク１０５によって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して閉空間部１２３内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するコントローラ（フィルタ回路１３１、スピーカードライバー１４１、マイクプリアンプ１５１）１１１と、閉空間部１２３の筒軸方向一方側端に配置され、消音信号を閉空間部１２３内に出力するスピーカー１０９と、を備えている。なお、このアクティブ防音装置１０１では、閉空間部１２３の筒軸方向の長さは５００（ｍｍ）に設定されている。
【０００８】
図１０は、このアクティブ防音装置１０１において、フィルタ回路１３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー１０９から閉空間部１２３に出力することにより、当該防音ボックス１０３のプラント特性（伝達率（ゲイン）及び位相）を測定した結果を示す図である。
【０００９】
図１０から、この防音ボックス１０３では、４００（Ｈｚ）付近に１つの大きな共振と、１０００（Ｈｚ）以上で複数の大きな共振とが生じることが分かる。ここで、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えなければ、その制御系は安定となり、また、ゲインが０（ｄＢ）を超えても位相が０度を横切らなければ、制御系は安定となるところ、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えているので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることになる。
【００１０】
そこで、１０００（Ｈｚ）以上の複数の共振を０（ｄＢ）以下に落とす必要があるが、個々の共振を、特定の周波数成分を減衰させるノッチフィルタで減衰させるのは、共振点の数が多いことから現実的ではない。このため、高い周波数成分を抑制する一方低い周波数成分を取り出すローパスフィルタ（以下、ＬＰＦともいう）を用いて、これらの共振を減衰させることが考えられる。
【００１１】
図１１は、フィルタ回路１３１をＯＮにした状態で、具体的には、カットオフ周波数５０（Ｈｚ）のＬＰＦを追加して、防音ボックス１０３のプラント特性を測定した結果を示す図であり、図中の点線はＬＰＦを追加する前のプラント特性を、図中の実線はＬＰＦを追加した後のプラント特性を、また、図中の破線はＬＰＦの特性をそれぞれ示す。図１１から分かるように、ＬＰＦを用いたことにより、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）より小さくなるので、発振状態に陥るおそれはないが、ＬＰＦを用いるとカットオフ周波数の前後で位相が９０度遅れることから、今度は４００（Ｈｚ）付近で位相が０度を横切ることになる。
【００１２】
そこで、４００（Ｈｚ）付近における共振に起因して発振状態に陥ることを抑えるために、ノッチフィルタを用いることも考えられるが、帯域の狭いノッチフィルタを共振周波数に合わせるのは困難である。また、図１２（ａ）の点線で示すように、ＬＰＦのカットオフ周波数を５０（Ｈｚ）よりも低くすることや、図１２（ａ）の太線で示すように、ＬＰＦをもう一段追加することが考えられるが、図１２（ｂ）に示すように、いずれの場合にも、位相がさらに遅れてしまうことから、騒音を消音制御するために必要な周波数域が狭くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、閉空間部内に配置されるマイクによって集音された音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置において、簡単な構造で、広い周波数域において消音効果を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明では、閉空間部内に設けられ、且つ、当該閉空間部内に発生する１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の節以外の領域に配置される主マイクの他に、副マイクを当該閉空間部内に設けるとともに、１次又は１次〜ｎ次の共振において、副マイクと主マイクとによってそれぞれ集音される音信号の位相が反転するような位置に、かかる副マイクを配置するようにしている。
【００１５】
具体的には、第１の発明は、機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイクと、上記主マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えたアクティブ防音装置を対象とする。
【００１６】
そして、上記主マイクは、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に配置されており、上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される副マイクをさらに備え、上記フィードバック制御手段は、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とするように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
なお、本発明において、「防音ボックス」とは、閉空間部を有する容器であればよく、略直方体状の閉空間部に限らず、例えば、円筒状や多角形筒状の閉空間部を有するものも含む。
【００１８】
第１の発明によれば、外部の騒音源から発生した騒音が閉空間部内に伝播すると、主マイク及び副マイクがかかる騒音を集音するとともに、フィードバック制御手段が、主マイク及び副マイクによって集音された騒音の音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するような消音信号を生成する。そうして、スピーカーがかかる消音信号を閉空間部内に出力することによって、閉空間部内に伝播する騒音が消音される。
【００１９】
もっとも、閉空間内で、音信号がスピーカーから常に一定方向に出力されると、かかる閉空間内には定在波が発生し、防音ボックスの特性で決まる共振周波数において共振が発生することになる。このように共振が生じると、共振点の付近では音信号の位相が大幅に遅れて、この音信号を帰還させるようにしたフィードバックループにおいて位相交点が現れることがある。そうして、かかる位相交点においてゲインが０（ｄＢ）を超えていると、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥るおそれがある。
【００２０】
そこで、第１の発明のアクティブ防音装置では、消音信号により閉空間部内に発生する、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、副マイクを配置するようにしている。このように、副マイクを配置することにより、主マイクが例えばｎ次音圧モードの定在波の腹における音圧を集音すると、副マイクがこれとは逆位相の腹又はその近傍における音圧を集音することになる。故に、主マイクによって集音された音信号と、副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、ｎ次の共振があたかも打ち消されるように減衰され、かかるｎ次の共振が減衰された消音信号がスピーカーから閉空間部内に出力されることになる。
【００２１】
そうして、スピーカーから閉空間部内に出力された消音信号は、ｎ次の共振が減衰していることを除けば、元の集音信号と同じ信号なので、外部の騒音源から発生して閉空間部内に伝播する騒音を効果的に消音することができる。また、消音信号を出力し続ける限り、閉空間部内には、１次〜ｎ次の共振が常時発生していることになるが、上述の如く、各フィードバックループにおいてｎ次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００２２】
このように、第１の発明のアクティブ防音装置では、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、例えば、１次及び２次の共振を減衰させた場合には、１次及び２次の共振周波数においてＬＰＦ等のフィルタを用いる必要がなくなる（必要に応じて３次以上の共振周波数においてのみフィルタを用いればよい）ことから、これらの周波数でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御に必要な周波数域（以下、制御対象周波数域ともいう）が１次共振周波数よりも低い周波数域に設定されているような場合には、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００２３】
以上により、第１の発明によれば、閉空間部内に配置されるマイクによって集音された音信号に基づいて、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置において、簡単な構造で、広い周波数域において消音効果を向上させることが可能となる。
【００２４】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記閉空間部は、少なくとも一対の対向する面によって区画され、上記主マイクは、上記一対の面が対向する対向方向の端部に配置され、上記スピーカーは、上記消音信号を、上記閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力するように構成されていることを特徴とするものである。
【００２５】
第２の発明では、スピーカーが消音信号を閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力することから、かかる閉空間部には、対向方向の両端部が腹となる、１次〜ｎ次音圧モードの定在波が発生する。そうして、主マイクは対向方向の端部に配置されることから、主マイクを容易に１次〜ｎ次音圧モードの定在波の節以外の領域に配置することができる。
【００２６】
第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記主マイク及び副マイクは、各音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、が同じになるように、上記閉空間部内に配置されることを特徴とするものである。
【００２７】
第３の発明によれば、各音圧モードの定在波における、主マイクの設置位置（閉空間部の対向方向の端部）の位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数（主マイクを含む）と、これと逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数とが同じになるように、副マイクが配置されるので、換言すると、複数のマイクが、互いに打ち消し合うような音信号を対で集音するので、複雑な音信号の合成割合の調整を要することなく、ｎ次の共振を減衰させることができる。
【００２８】
第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記フィードバック制御手段は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することを特徴とするものである。
【００２９】
第４の発明によれば、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置に副マイクを設置しなくても、逆位相となる位置の近傍に（位相が反転する位置に）副マイクを設置して、各信号の合成割合を調整することにより、１次又は１次〜ｎ次の共振を確実に減衰させることができる。
【００３０】
第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、上記防音ボックスには、上記閉空間部を区画する面に、吸音材が設けられていることを特徴とするものである。
【００３１】
第５の発明によれば、第１〜第４の発明による消音効果と、吸音材による消音効果とが相俟って、制御対象周波数域における消音効果をより一層高めることができる。
【００３２】
第６の発明は、機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイク及び少なくとも１つの副マイクと、上記主マイク及び副マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えた装置を用意し、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に上記主マイクを配置し、上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に上記副マイクを配置し、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とすることを特徴とするアクティブ防音方法である。
【００３３】
第６の発明によれば、上記第１の発明と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係るアクティブ防音装置及びアクティブ防音方法によれば、１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、主マイクの設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、副マイクを配置することから、これらの音信号を回路上で合成することによって、１次又は１次〜ｎ次の共振を減衰させることができる。このように、各フィードバックループにおいて１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００３５】
また、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるので、１次又は１次〜ｎ次の共振周波数においてフィルタを用いる必要がなくなることから、これらの周波数でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態１に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図２】防音ボックス内に生じる１次音圧モードの定在波を模式的に示す図である。
【図３】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図４】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図５】アクティブ防音装置による消音効果を示す図である。
【図６】実施形態２に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図７】防音ボックス内に生じる２次音圧モードの定在波を模式的に示す図である。
【図８】防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図９】従来のアクティブ防音装置を模式的に示す図である。
【図１０】従来の防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図１１】従来の防音ボックスのプラント特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【図１２】ＬＰＦの特性を示す図であり、同図（ａ）はゲイン特性を示し、同図（ｂ）は位相特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３８】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１は、振動を嫌う精密機器（本実施形態では走査型プローブ顕微鏡）１９を、騒音による音響振動等から保護するためのものであり、走査型プローブ顕微鏡１９を収容するための閉空間部２３を有する防音ボックス３と、当該閉空間部２３内の音信号を集音する第１マイク（主マイク）５及び第２マイク（副マイク）７と、当該閉空間部２３内に伝播する騒音を消音するような消音信号を生成するコントローラ（フィードバック制御手段）１１と、かかる消音信号を当該閉空間部２３内に出力するスピーカー９と、を備えている。なお、本実施形態のアクティブ防音装置１では、制御対象周波数域が１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近に想定されている。
【００３９】
防音ボックス３は、図１に示すように、略円筒状に形成されており、有頂筒状に形成されたアクリル製の本体部１３と、本体部１３の下端部の内周面に取り付けられるアルミ製の底壁部３３と、本体部１３の上端部の内周面に取り付けられる、略円盤状のアルミ製の仕切壁部４３と、を有している。このように、仕切壁部４３を本体部１３の上端部の内周面に取り付け、且つ、本体部１３の解放端を底壁部３３で閉じることにより、かかる防音ボックス３には、本体部１３の内周面と、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ（一対の対向する面）とによって区画される閉空間部２３が形成されている。なお、本実施形態では、底壁部３３の上面３３ａと仕切壁部４３の下面４３ａとの間隔、すなわち、閉空間部２３の筒軸方向の長さは、５００（ｍｍ）に設定されている。
【００４０】
そうして、走査型プローブ顕微鏡１９をこの閉空間部２３に収容することで、本実施形態に係るアクティブ防音装置１では、当該走査型プローブ顕微鏡１９を、外部の騒音による音響振動等からある程度保護することが可能となっている。なお、本実施形態では、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ（一対の面）が対向する対向方向（筒軸方向）と、上下方向が一致することから、以下、対向方向を上下方向として説明する。
【００４１】
第１マイク５は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の上側の端部に配置されており、スピーカー９の近傍で当該閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、この第１マイク５により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ５１に入力される。
【００４２】
第２マイク７は、第１マイク５と同様に、閉空間部２３内に配置されており、第１マイク５とは異なる位置で当該閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、この第２マイク７により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ６１に入力される。
【００４３】
スピーカー９は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の上端に、より具体的には、仕切壁部４３の中央部に埋め込まれるように配置されている。このスピーカー９は、コントローラ１１内のスピーカードライバー４１から入力された電流に応じて、消音信号を当該閉空間部２３内に上下方向上側端から下側端に向けて出力する。
【００４４】
コントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を増幅するためのマイクプリアンプ５１，６１と、各マイク５，７で集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器２１と、加算合成された音信号にローパスフィルタ（ＬＰＦ）をかけるか否かを選択可能であり且つＬＰＦをかける際のカットオフ周波数を設定可能なフィルタ回路３１と、電圧信号の形で入力される音信号を電流に変換してスピーカー９に出力するスピーカードライバー４１とを、有している。そうして、このコントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源（図示せず）から発生して閉空間部２３内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するように構成されている。
【００４５】
具体的には、コントローラ１１は、第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号をマイクプリアンプ５１，６１で増幅し、かかる増幅された音信号の音圧の合成割合を加算器２１で調整して、加算合成された音信号に必要に応じてＬＰＦをかけた後、スピーカードライバー４１からスピーカー９に対して電流を出力することによって、閉空間部２３内に伝播する騒音を消音するような、例えば、騒音と逆位相且つ同振幅の消音信号を出力するように構成されている。
【００４６】
以上の構成により、本実施形態のアクティブ防音装置１によれば、走査型プローブ顕微鏡１９を防音ボックス３の閉空間部２３に収容するとともに、アクリル製の本体部１３を通過して閉空間部２３内に伝播する騒音を、コントローラ１１で生成されスピーカー９から出力される消音信号によって減衰させることにより、騒音による音響振動等から走査型プローブ顕微鏡１９を保護することができる。
【００４７】
ところで、閉空間部２３内には、消音信号が常に上側端から下側端に向けてスピーカー９から出力されることから、閉空間部２３内にはかかる消音信号に起因して定在波が発生している。このため、当該閉空間部２３内には、防音ボックス３の上下方向長さで決まる共振周波数において共振が発生することになる。
【００４８】
ここで、本実施形態のアクティブ防音装置１では、閉空間部２３の上下方向の長さが、上記図９に示した従来のアクティブ防音装置１０１と同様に５００（ｍｍ）に設定されていることから、従来のアクティブ防音装置１０１と同様に第１マイク５しか用いない場合には、防音ボックス３内には、４００（Ｈｚ）付近に１つの大きな共振と、１０００（Ｈｚ）以上で複数の大きな共振とが生じることになる（図１０参照）。そうして、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）を超えているので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることになる。
【００４９】
このため、１０００（Ｈｚ）以上の複数の共振を０（ｄＢ）以下に落とす必要があるが、ＬＰＦを用いてこれらの共振を減衰させると、上記図１１に示すように、１０００（Ｈｚ）以上の共振周波数では、位相交点でゲインが０（ｄＢ）以下となるものの、ＬＰＦのカットオフ周波数の前後で位相が９０度遅れることから、今度は４００（Ｈｚ）付近で位相が０度を横切ることになる。
【００５０】
そこで、４００（Ｈｚ）付近における共振に起因して発振状態に陥ることを抑えるために、ノッチフィルタを用いることやＬＰＦを用いることが考えられるが、帯域の狭いノッチフィルタを共振周波数に合わせるのは困難であるし、また、ＬＰＦを用いると、位相がさらに遅れてしまうため、騒音を消音制御するために必要な周波数域である制御対象周波数域が狭くなるという問題がある。
【００５１】
そこで、本実施形態のアクティブ防音装置１では、消音信号により閉空間部２３内に発生する１次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置（対向方向の一方側の端部）における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第２マイク７を配置するとともに、１次の共振を打ち消す（減衰させる）ように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号とを回路上で合成し、かかる加算合成された音信号を消音信号とするようにコントローラ１１を構成している。
【００５２】
具体的には、本実施形態のアクティブ防音装置１では、図２に示すように、閉空間部２３内に１／２波長の１次音圧モードの定在波が存在しているところ、第１マイク５がかかる定在波における腹Ｐ１の近傍に設置されている一方、第２マイク７が腹Ｐ１と逆位相の腹Ｐ２の近傍に設置されている。このように、第２マイク７を設置することにより、第１マイク５が１次音圧モードの定在波における腹Ｐ１の近傍における音圧を集音すると、第２マイク７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ２の近傍における音圧を集音することになる。これにより、第１マイク５によって集音された音信号と、第２マイク７によって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、１次の共振があたかも打ち消されるように減衰され、かかる１次の共振が減衰された消音信号が、スピーカー９から閉空間部２３内に出力される。
【００５３】
このように、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次の共振が減衰されるので、１次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、換言すると、必要に応じて２次以上の共振周波数においてのみＬＰＦを用いればよいことから、低い周波数域でフィルタに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近で位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００５４】
なお、第１及び第２マイク５，７を設置する際に設置誤差が生じることや、図２に示す模式図とは異なり、実際には閉空間部２３内に走査型プローブ顕微鏡１９が配置されていることから、第１マイク５の設置位置における位相と、第２マイク７の設置位置における位相とが、反転はしているものの逆位相とならない場合があるが、コントローラ１１は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器２１を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することが可能なので、逆位相となる位置の近傍に第２マイク７を設置した場合にも、１次の共振を確実に減衰させることができる。
【００５５】
そうして、スピーカー９から閉空間部２３内に出力された消音信号は、１次の共振が減衰していることを除けば、元の集音信号と同じ信号なので、外部の騒音源から発生して閉空間部２３内に伝播する騒音を効果的に消音することができる。また、消音信号を出力し続ける限り、閉空間部２３内には、１次の共振が常時発生していることになるが、上述の如く、各フィードバックループにおいて１次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００５６】
次に、本実施形態のアクティブ防音装置１による効果を確認するために行ったシミュレーション実験の結果を説明する。
【００５７】
先ず、図９に示す、マイクが１つの従来のアクティブ防音装置１０１と、図１に示す、マイクが２つの本実施形態のアクティブ防音装置１とを用意し、共にフィルタ回路３１，１３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９，１０９から閉空間部２３，１２３に出力することにより、これらの防音ボックス３，１０３のプラント特性（ゲイン及び位相）を比較した。その結果を図３に示す。
【００５８】
図３の点線は、マイクが１つの防音ボックス１０３のプラント特性を、図３の実線は、本実施形態に係るマイクが２つの防音ボックス３のプラント特性をそれぞれ示している。図３から、マイクが１つの防音ボックス１０３において４００（Ｈｚ）付近に生じていた１次の共振が、本実施形態に係る防音ボックス３では消えている（減衰されている）ことが分かった。これにより、第１マイク５の設置位置における位相と逆位相となる位置（又はその近傍）に、第２マイク７を配置するとともに、これら第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を回路上で合成することにより、ＬＰＦを用いなくても１次の共振を減衰させることが可能であることが確認された。
【００５９】
次に、図１に示す本実施形態のアクティブ防音装置１を用意し、フィルタ回路３１をＯＦＦにした状態と、フィルタ回路３１をＯＮにした状態とで、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９から閉空間部２３に出力することにより、ＬＰＦの有無による防音ボックス３のプラント特性の違いを測定した。その結果を図４に示す。
【００６０】
図４の点線は、フィルタ回路３１をＯＦＦにした場合の防音ボックス３のプラント特性を、図４の実線は、フィルタ回路３１をＯＮにしてＬＰＦを追加した場合の防音ボックス３のプラント特性を、また、破線は、ＬＰＦの特性をそれぞれ示している。図４から、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近に位相遅れの影響を与えることなく、カットオフ周波数を高い周波数に設定したＬＰＦを用いて、１０００（Ｈｚ）を超える高い周波数の共振を減衰させることが可能であることが分かった。また、ＬＰＦにより減衰された共振に対して、制御対象周波数域である１０（Ｈｚ）付近〜１００（Ｈｚ）付近のゲインが大きくなることも確認された。
【００６１】
次に、図９に示す、マイクが１つの従来のアクティブ防音装置１０１と、図１に示す、マイクが２つの本実施形態のアクティブ防音装置１とを用意し、共にフィルタ回路３１，１３１をＯＮにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９，１０９から閉空間部２３，１２３に出力することにより、これらの防音ボックス３，１０３の消音効果を比較した。その結果を図５に示す。
【００６２】
図５の点線は、マイクが１つの従来のフィードバック制御による消音効果を、図５の実線は、本実施形態に係るアクティブ防音装置１による消音効果をそれぞれ示している。なお、図５は、制御を行っていない状態を基準（０（ｄＢ））として、制御時の消音効果を示すものであり、マイナス側ほど消音効果が高いことを示している。図５から、マイクが１つの従来のフィードバック制御では、カットオフ周波数が低い周波数に設定されたＬＰＦの影響により、８（Ｈｚ）〜６０（Ｈｚ）でしか消音効果が得られていないことが分かった。これに対して、２つのマイク５，７によって１次の共振を減衰させることにより、ＬＰＦのカットオフ周波数を高い周波数に設定可能な本実施形態に係るアクティブ防音装置１では、８（Ｈｚ）〜１３０（Ｈｚ）という広い範囲で消音効果が得られることが分かった。これにより、２つのマイク５，７を用いて１次の共振を減衰させるだけでも、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となることが確認された。
【００６３】
−効果−
本実施形態によれば、１次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第２マイク７を配置することから、これら第１及び第２マイク５，７によって集音された音信号を回路上で合成することによって、１次の共振を減衰させることができる。このように、各フィードバックループにおいて１次の共振が減衰されるので、フィードバックループを繰り返す中でゲインが無限大に増幅されて発振状態に陥ることを確実に抑制することができる。
【００６４】
また、１次の共振が減衰されるので、１次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、１次の共振周波数付近でＬＰＦに起因する位相遅れが生じなくなる。したがって、制御対象周波数域に位相遅れの影響が生じるのを確実に抑えて、制御対象周波数域を広げることが可能となる。
【００６５】
（実施形態２）
本実施形態は、第３マイク１７を用いる点、及び、閉空間部２３を区画する面に吸音材５３を設けている点が実施形態１と異なるものである。以下、実施形態１と異なる点について説明する。
【００６６】
図６は、本実施形態に係るアクティブ防音装置を模式的に示す図である。このアクティブ防音装置１は、上記防音ボックス３、第１及び第２マイク５，７、コントローラ１１並びにスピーカー９に加えて、閉空間部２３内の音信号を集音する第３マイク（副マイク）１７と、底壁部３３の上面３３ａ及び仕切壁部４３の下面４３ａ以外の、閉空間部２３を区画する面、すなわち、アクリル製の本体部１３の内周面に取り付けられる吸音材５３と、をさらに備えている。
【００６７】
吸音材５３は、例えば、アルミ不織布やグラスウール、燒結金属などの多孔質材料または穴あき板であり、これを本体部１３の内周面に配設することによって、騒音の振動エネルギーを効果的に吸収して、共振の影響を減少させることができる。
【００６８】
第３マイク１７は、閉空間部２３内で且つ当該閉空間部２３における上下方向の中央に配置されていて、第１マイク５と第２マイク７との間で、閉空間部２３内の音信号を集音するようになっている。そうして、第３マイク１７により集音された音信号は、コントローラ１１内のマイクプリアンプ７１に入力される。
【００６９】
コントローラ１１は、第１〜第３マイク５，７，１７によって集音された音信号をマイクプリアンプ５１，６１，７１で増幅し、かかる増幅された音信号の音圧の合成割合を加算器２１で調整して、加算合成された音信号に必要に応じてＬＰＦをかけた後、スピーカードライバー４１からスピーカー９に対して電流を出力するようになっている。
【００７０】
そうして、本実施形態のアクティブ防音装置１では、消音信号により閉空間部２３内に発生する２次音圧モードの定在波の、第１マイク５の設置位置（対向方向の一方側の端部）における位相と逆位相となる位置又はその近傍に、第３マイク１７を配置するとともに、１次及び２次の共振を打ち消す（減衰させる）ように、第１マイク５によって集音された音信号と、第２及び第３マイク７，１７によって集音された音信号とを回路上で合成し、かかる加算合成された音信号を消音信号とするようにコントローラ１１を構成している。
【００７１】
具体的には、本実施形態のアクティブ防音装置１では、図７に示すように、閉空間部２３内に１波長（１／２波長の２倍の波長）の２次音圧モードの定在波が存在しているところ、第１マイク５がかかる定在波における腹Ｐ１の近傍に設置されている一方、第３マイク１７がこれと逆位相の腹Ｐ３の近傍に設置されている。このように、第３マイク１７を設置することにより、第１マイク５が２次音圧モードの定在波における腹Ｐ１の近傍における音圧を集音すると、第３マイク１７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ３の近傍における音圧を集音することになる。これにより、第１マイク５によって集音された音信号と、第３マイク１７によって集音された音信号と、を回路上で合成すれば、２次の共振があたかも打ち消されるように減衰される。したがって、第１〜第３マイク５，７，１７を用いることにより、１次及び２次の共振が減衰された消音信号が、スピーカー９から閉空間部２３内に出力されることになる。
【００７２】
このように、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次のみならず２次の共振が減衰されるので、１次及び２次の共振周波数においてＬＰＦを用いる必要がなくなることから、ＬＰＦのカットオフ周波数をさらに高い周波数に設定することが可能となり、制御対象周波数域をさらに広げることができる。また、このことと、吸音材５３による消音効果とが相俟って、制御対象周波数域における消音効果をより一層高めることができる。
【００７３】
ここで、１次音圧モードの定在波については、第１マイク５が腹Ｐ１の近傍における音圧を、また、第２マイク７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ２の近傍における音圧を、それぞれ集音する一方、第３マイク１７は、１次音圧モードの定在波の節における音圧を集音するので、１次の共振を減衰させる際にかかる第３マイク１７による影響はほとんどない。
【００７４】
これに対し、２次音圧モードの定在波については、図７に示すように、第１マイク５が腹Ｐ１の近傍における音圧を、また、第３マイク１７が腹Ｐ１とは逆位相の腹Ｐ３の近傍における音圧を、それぞれ集音する一方、第２マイク７は、腹Ｐ１と同位相の腹Ｐ２’の近傍における音圧を集音することになるので、２次の共振を減衰させる際に第２マイク７による影響が生じることになる。しかしながら、コントローラ１１は、加算器２１によって各信号の合成割合を調整することが可能なので、例えば、第３マイク１７により集音された音信号を大きく増幅させることにより、２次の共振を減衰させる際の第２マイク７による影響を小さくして、１次及び２次の共振を減衰させることが可能となっている。
【００７５】
次に、本実施形態のアクティブ防音装置１による効果を確認するために行ったシミュレーション実験の結果を説明する。実験は、図６に示す本実施形態のアクティブ防音装置１を用意し、フィルタ回路３１をＯＦＦにした状態で、全周波数で同じ大きさの音をスピーカー９から閉空間部２３に出力することにより、防音ボックス３のプラント特性を測定した。その結果を図８に示す。
【００７６】
図８から、本実施形態のアクティブ防音装置１では、１次のみならず２次の共振が減衰されたことと、吸音材５３による消音効果とが相俟って、ＬＰＦを用いることなく、４００（Ｈｚ）付近に生じる共振及び１０００（Ｈｚ）を超える高い周波数の共振を減衰させることが可能であることが分かった。
【００７７】
（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。
【００７８】
上記各実施形態では、断面円形状の閉空間部２３を有する略円筒状の防音ボックス３を用いたが、これに限らず、例えば断面矩形状や断面多角形状の閉空間部を有する防音ボックスや直方体状の防音ボックスを用いてもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態では、一対の対向する面の間（底壁部３３の上面３３ａと仕切壁部４３の下面４３ａとの間）に定在波を発生させるようにしたが、これに限らず、どのような方向に定在波を発生させてもよい。加えて、閉空間部は、定在波が発生するような形状であればよく、少なくとも一対の対向する面によって区画されていなくてもよい。
【００８０】
さらに、上記各実施形態では、定在波の方向（定在波の振幅方向と直角方向）と、スピーカー９の出力方向とを一致させたが、これに限らず、定在波の方向に対して、スピーカー９の出力方向を傾けるようにしてもよい。
【００８１】
また、上記各実施形態では、防音ボックス３を走査型プローブ顕微鏡１９を保護するために用いたが、これに限らず、例えば防音ボックス３を１辺が１ｍ程度の略立方体とし、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の比較的大型の精密機器を保護するために用いてもよい。
【００８２】
さらに、上記実施形態２では、３つのマイクを用いることによって、１次及び２次の共振を減衰させるようにしたが、これに限らず、例えば、３次以上の共振を、４つ以上のマイクを用いることによって減衰させてもよい。
【００８３】
また、上記実施形態２では、吸音材５３として、アルミ不織布やグラスウール、燒結金属などの多孔質材料または穴あき板を例示したが、吸音材５３は他の材質でもよい。
【００８４】
さらに、上記各実施形態では、各音圧モードの定在波に対して用いるマイクを一対としたが、各音圧モードの定在波の、第１マイク５の配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、第１マイク５の配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数とが同じである限り、マイクを２対以上設けてもよい。
【００８５】
このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上説明したように、本発明は、閉空間部内に伝播する騒音を消音するようなフィードバック制御を行うアクティブ防音装置等について有用である。
【符号の説明】
【００８７】
１ アクティブ防音装置
３ 防音ボックス
５ 第１マイク（主マイク）
７ 第２マイク（副マイク）
９ スピーカー
１１ コントローラ（フィードバック制御手段）
１７ 第３マイク（副マイク）
１９ 走査型プローブ顕微鏡（機器）
２１ 加算器
２３ 閉空間部
３３ａ 底壁部の上面（対向する面）
４３ａ 仕切壁部の下面（対向する面）
５３ 吸音材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、
上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイクと、
上記主マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、
上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えたアクティブ防音装置であって、
上記主マイクは、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に配置されており、
上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される副マイクをさらに備え、
上記フィードバック制御手段は、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とするように構成されていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブ防音装置において、
上記閉空間部は、少なくとも一対の対向する面によって区画され、
上記主マイクは、上記一対の面が対向する対向方向の端部に配置され、
上記スピーカーは、上記消音信号を、上記閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力するように構成されていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のアクティブ防音装置において、
上記主マイク及び副マイクは、各音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、が同じになるように、上記閉空間部内に配置されることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクティブ防音装置において、
上記フィードバック制御手段は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクティブ防音装置において、
上記防音ボックスには、上記閉空間部を区画する面に、吸音材が設けられていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項６】
機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、
上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイク及び少なくとも１つの副マイクと、
上記主マイク及び副マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、
上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えた装置を用意し、
上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に上記主マイクを配置し、
上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に上記副マイクを配置し、
１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とすることを特徴とするアクティブ防音方法。
【請求項１】
機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、
上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイクと、
上記主マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、
上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えたアクティブ防音装置であって、
上記主マイクは、上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に配置されており、
上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置される副マイクをさらに備え、
上記フィードバック制御手段は、１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とするように構成されていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブ防音装置において、
上記閉空間部は、少なくとも一対の対向する面によって区画され、
上記主マイクは、上記一対の面が対向する対向方向の端部に配置され、
上記スピーカーは、上記消音信号を、上記閉空間部の対向方向の一方側の端部から他方側の端部に向けて出力するように構成されていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のアクティブ防音装置において、
上記主マイク及び副マイクは、各音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と同位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に配置されるマイクの数と、が同じになるように、上記閉空間部内に配置されることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクティブ防音装置において、
上記フィードバック制御手段は、各マイクで集音された音信号の音圧の合成割合を調整可能な加算器を有していて、１次又は１次〜ｎ次の共振が減衰されるように、各信号の合成割合を調整することを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクティブ防音装置において、
上記防音ボックスには、上記閉空間部を区画する面に、吸音材が設けられていることを特徴とするアクティブ防音装置。
【請求項６】
機器を収容するための閉空間部を有する防音ボックスと、
上記閉空間部内に配置され、当該閉空間部内の音信号を集音する主マイク及び少なくとも１つの副マイクと、
上記主マイク及び副マイクによって集音された音信号に基づいて、外部の騒音源から発生して上記閉空間部内に伝播する騒音を、消音するような消音信号を生成するフィードバック制御手段と、
上記消音信号を当該閉空間部内に出力するスピーカーと、を備えた装置を用意し、
上記消音信号により上記閉空間部内に発生する、上記１次又は１次〜ｎ次（ｎは２以上の整数）音圧モードの定在波の節以外の領域に上記主マイクを配置し、
上記１次又は１次〜ｎ次音圧モードの定在波の、上記主マイクの配置位置における位相と逆位相となる位置又はその近傍に上記副マイクを配置し、
１次又は１次〜ｎ次の共振を打ち消すように、上記主マイクによって集音された音信号と、上記副マイクによって集音された音信号と、を回路上で合成して上記消音信号とすることを特徴とするアクティブ防音方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１１８１３５（Ｐ２０１２−１１８１３５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５５９０（Ｐ２０１０−２６５５９０）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
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