車室内の騒音低減装置
【目的】 車室内に気柱共鳴が発生した場合においても消音動作を正確且つ敏速に行えるようにする。
【構成】 騒音検出用マイクＭ１および消音確認用マイクＭ２を、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置した騒音低減装置。
【構成】 騒音検出用マイクＭ１および消音確認用マイクＭ２を、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置した騒音低減装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、騒音に対して逆位相音を付加して騒音を低減するための騒音低減装置であり、乗用車、１ボックスカー等の車室の騒音の低減に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】騒音に対して逆位相音を付加して騒音を低減する方法として、一般には、適応制御方式がある。図１０は適応制御方式を示す。騒音検出用のマイク２５は騒音を検出し、トランスバーサルフィルタ２６は検出信号を畳み込み演算し、スピーカ２７から音を発生させる。一方、消音確認マイク２８から検出された信号は適応アルゴリズム２９に基づき最適と思われるトランスバーサルフィルタ２６のフィルタ係数を推定し、更新する。騒音低減は、消音確認マイクが検出する残騒音の平均２乗誤差を最小にする様働く。
【０００３】上記の方式の装置は、例えば、特開平２−１５８２９６号公報や、特開平３−５０９９８号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ここで、車室内に気柱共鳴が発生すると、室内の各所で音圧が変化する。例えば、消音確認用マイクをシートのヘッドレストに、騒音検出用マイクを足元に置いた場合、ヘッドレスト付近と足元では音圧が著しく違うため、消音動作が正確且つ敏速に行えない場合がある。
【０００５】そこで、本発明においては、車室内の騒音低減装置において、車室内に気柱共鳴が発生した場合においても消音動作を正確且つ敏速に行えるようにすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために本発明において用いた第１の手段は、騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクを、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置したことである。
【０００７】また、上記課題を解決するために本発明において用いた第２の手段は、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置したことである。
【０００８】更に、上記課題を解決するために本発明において用いた第３の手段は、消音確認用マイクおよびスピーカをシートのヘッドレスト近傍に設置し、騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置したことである。
【０００９】
【作用】上記第１の手段によれば、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１０】上記第２の手段においては、車室内を直方体に近似した場合、直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置にある点は、気柱共鳴が発生した場合、音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１１】上記第３の手段においては、車室内で気柱共鳴が発生してもヘッドレスト近傍とシートの背もたれ部の下部は音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１２】
【実施例】以下、本発明を車両に搭載した場合の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１３】図１は本発明の構成図である。スピーカＳＰおよび消音確認マイクＭ２は座席１０のヘッドレスト１１または座席１０の背もたれ部１４から延びて、耳元に配置される。エンジン１２の回転数を検出するためにエンジン回転数センサＰＰが置かれている。騒音検出マイクＭ１は座席１０の背もたれ部の下部に設置されている。コントローラ１３はスピーカＳＰ、消音確認マイクＭ２、エンジン回転数センサＰＰおよび騒音検出マイクＭ１に接続されている。
【００１４】スピーカＳＰおよび消音確認マイクＭ２が人の耳元に配置されるため、スピーカＳＰは大きな音をだす必要がない。このため、スピーカＳＰからでた音が座席１０から離れた部分や車外に影響し、他の部分で音が強調されることもない。したがって確実に座席に座っている人の耳に入る騒音のみを低減するとともに、他に影響を与えない。
【００１５】車両の騒音源の内、一番大きなものはエンジンであるので、車両に搭載する場合はエンジンからの音を消音することが望まれる。図４は４気筒エンジンの車室内の騒音分布を示したものである。図におけるエンジン回転数は４０１６ｒｐｍ（６６．９Ｈｚ）であり、２次高調波成分の１３４Ｈｚ程度の部分ｃで大きな山ができている。ａはエンジン音の１次成分である。他の部分はロードノイズ等のエンジン回転以外によるものである。ｃの山はエンジンの回転数の変化に追従し、周波数が上下するが、この２次成分の音が特に乗客に取って騒音と感じられる。また、人間の耳に聞こえる可聴音は約５０Ｈｚ以上となるので、０〜４０Ｈｚ程度の部分にできてきるピーク部分は無視してよい。したがって、４気筒エンジンにおいては、図示ｃに示される２次成分のみを抽出し消音してやればよい。
【００１６】図２にコントローラ１３の詳細を示す。騒音検出マイクＭ１は車室内の音を検出する。検出された音は第１周波数選択器ＳＣＦ１を通過した後、位相調整器ＢＢＤ１および増幅器Ａ１を通してスピーカＳＰに送られる。エンジン回転数センサＰＰはパルスピックアップであり、エンジン出力軸もしくはエンジン出力軸に間接的に接続された軸の近傍に設置され、エンジン１２の回転数を検出する。
【００１７】第１周波数選択器ＳＣＦ１はエンジン回転数センサＰＰの出力ｅを受ける。第１周波数選択器ＳＣＦ１の内部構造を図３に示す。第１周波数選択器ＳＣＦ１はスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ、位相差検出器２０、チャージポンプ２１、ループフィルタ２２、電圧コントロールオシレータＶＣＯおよび分周器２３よりなる。位相差検出器２０は分周器からのパルスとエンジンからのパルスの位相差を求める。チャージポンプ２１は分周器２３からのパルスとエンジンからのパルスの位相差を零にするよう働き、位相調整した量の電圧パルスを出力する。ループフィルタ２２は積分器の構成をとっており、チャージポンプ２１からの電圧パルスをアナログ電圧の形にして電圧コントロールオシレータＶＣＯに送出する。電圧コントロールオシレータＶＣＯは入力電圧に応じた周波数パルスを発振し、クロックパルスＣＬとしてスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦおよび分周器２３へ送る。分周器２３は入力パルスを１／Ｎに分周し周波数を１／Ｎに落とす。このＮは整数であり、予め設定しておく。本実施例ではＮ＝１００としている。
【００１８】今、エンジン回転パルスの周波数のＮ倍がスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦへのクロック周波数に一致しているとする。ここで、エンジン回転数が上昇すると、分周器２３からのパルスとエンジン回転パルスとの間に位相差が生ずる。
【００１９】このとき、チャージポンプ２１はこの位相差を零にするよう働き、位相が増大するときには出力パルス電圧を上げ、位相差が減少するときには出力パルス電圧を下げる。ループフィルタ２２は出力パルスをアナログ電圧に変換し、電圧コントロールオシレータＶＣＯはこのアナログ電圧に相当する周波数のクロックパルスを発生するので、位相差が増大するときにはクロック周波数が増加し、位相差が減少するときにはクロック周波数が減少する。したがって、クロック周波数はエンジン回転数に応じて上下する。ループフィルタ２２は積分器の構成をとっているので、位相差が一致して、チャージポンプからのパルスが出力されなくなってもそれまでの値を出力し続ける。したがって、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦヘ出力されるクロックパルスＣＬの周波数はエンジン回転数のＮ倍となる。
【００２０】スイッチドキャパシタフィルタはクロックＣＬの周波数に応じて等価抵抗Ｒｅｑが変化する特性を有するスイッチドキャパシタを応用したものである。等価抵抗Ｒｅｑは、１／（Ｃ・ｆｃ）となる。フィルタを設計するときに、このＲｅｑを抵抗とすれば、ｆｃの変化に追従するフィルタを実現することができる。ナショナルセミコンダクタ製のＭＦ１０ユニバーサルモノリシックデュアルスイッチドキャパシタフィルタを用いれば、クロックパルスＣＬの周波数ｆｃに応じた周波数帯域のみを抽出するバンドパスフィルタを形成することができる。
【００２１】このように、エンジン回転数の周波数のＮ倍の周波数をもつクロックパルスがスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦに与えられ、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦはクロックパルスの周波数に応じて選択する周波数帯域を調整する。この値Ｎと、電圧コントロールオシレータＶＣＯの電圧範囲を調整すれば、エンジン回転数の２倍の周波数のみを抽出できるようなバンドパスフィルタが得られる。これにより、騒音検出マイクＭ１により検出された車室内音のうち、エンジン回転数の２次高調波成分だけ抽出できる。
【００２２】抽出された２次高調波成分の信号ＰＡは位相調整器ＢＢＤ１を通過する。位相調整器ＢＢＤ１はＢＢＤ（Ｂｕｃｋｅｔ Ｂｒｉｇａｄｅ Ｄｅｖｉｃｅ）により構成される。このＢＢＤは複数段の遅延線を有し、クロックを入れる毎に順次電荷を入力側から出力側へ転送するものであり、市販品として松下電子製のＭＮ３００５がある。クロック周波数を可変とすると、クロック周波数に応じた信号の遅延ができ、位相をずらすことができる。位相調整器ＢＢＤ１に与えられるクロック周波数ｆはマイクロプロセッシングユニットＭＰＵから与えられる。
【００２３】位相調整器ＢＢＤ１を通過した信号ＰＢは増幅器Ａ１に与えられる。増幅器Ａ１は入力信号ＰＢ１をゲインＫだけ増幅し、出力信号ＰＣ１を得る。ゲインＫは可変であり、マイクロプロセッシングユニットＭＰＵから与えられる。出力信号ＰＣはスピーカＳＰに与えられる。したがって、騒音検出マイクＭ１により検出された車室内音のうち、エンジン回転数の２次高調波成分を位相調整し、増幅した音がスピーカから発せられる。
【００２４】スピーカの発生した音は騒音源であるエンジンや車室内外から到達する音と一緒に運転者，乗客の耳に入る。同時にこれらの音は消音確認マイクＭ２により検出される。消音確認マイクＭ２の出力ＶＢは第２周波数選択手段である第２周波数選択器ＳＣＦ１１により周波数選択され、信号ＰＤとしてマイクロプロセッシングユニットＭＰＵに送られる。第２周波数選択器ＳＣＦ１１は第１周波数選択器ＳＣＦ１と同一の構成をしており、エンジン回転数の２次高調波成分に相当する周波数帯域の信号のみ抽出される。
【００２５】マイクロプロセッシングユニットＭＰＵは、前述したように、第２周波数選択器ＳＣＦ１１からの信号を受け、位相調整器ＢＢＤ１へクロック周波数ｆを、増幅器Ａ１へゲインＫを送出する。マイクロプロセッシングユニットＭＰＵは図５のフローチャートに沿って作動する。
【００２６】マイクロプロセッシングユニットＭＰＵがスタートすると、まず、ステップ３０において内部のメモリーや入出力ポート等の初期化が行われ、次に、位相調整ステップ（ステップ３１〜４０）およびゲイン調整ステップ（ステップ４１〜４９）が繰り返される。
【００２７】位相調整ステップにおいては、まず、パワースペクトルの算出が行われる。パワースペクトルとは時間的に変動する量の、２乗平均を周波数成分の分布として表したものである。
【００２８】通常、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ１１を通過した信号をＸ（ｔ）と仮定し、 Ｔ≦ｔ≦Ｔの区間だけ観測した信号をｘｔ（ｔ）とすると、パワースペクトルφｘｘ（ω）は、
【００２９】
【数１】
【００３０】ここで、ＸＴ（ω）はｘｔ（ｔ）のフーリエ変換、Ｅ［］は期待値を表す。実際にはＴ→無限大とすることは不可能であるので、ここでは取り込んだデータ数ｎを用いる。この場合、パワースペクトルφｘｘ（ω）は、
【００３１】
【数２】φｘｘ（ω）＝Ｅ〔ｌＸＴ（ω）ｌ2 ／２ｎ〕
で表される。
【００３２】ステップ３１では上記のようにしてパワースペクトルφｘｘ（ω）を求め、パワースペクトルφｘｘｉとしている。次に、パワースペクトルを最小にするよう位相調整する。ステップ３２にて、位相を現在の値よりΔθだけ進める。これにより位相調整器ＢＢＤ１によりスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ１から出力された信号の位相がΔθだけ進められる。次に、ステップ３３にて再びパワースペクトルφｘｘｉを求め、ステップ３４にて前回の値に対してレベルが上がったか下がったかを判断する。パワースペクトルφｘｘｉのレベルが下がれば、位相を進めたことがパワースペクトルφｘｘｉを下げることにつながっているので、再び位相をΔθだけ進める（ステップ３８）。ステップ３９にて再びパワースペクトルφｘｘｉを求め、パワースペクトルφｘｘｉが最小値になるまで位相を進め続ける。ステップ３４にてパワースペクトルが前回の値に対して上がっていたならば、位相を遅らせてパワースペクトルを下げる。この場合もパワースペクトルφｘｘｉが最小値になるまで位相を遅らせ続ける。パワースペクトルが最小になった時点で騒音に対して付加音が逆位相になったと判断する。
【００３３】次に、ゲイン調整ステップを行う。騒音と付加音のレベルの絶対値が一致したならば騒音と付加音は相殺されるのでパワースペクトルが最小になる。そこで、位相調整ステップと同様にパワースペクトルを最小にするようなゲインを求める。まず、ゲインを上げ、パワースペクトルが増加したならばゲインを下げ続け、パワースペクトルが減少したならばゲインを上げ続ける。パワースペクトルが最小となった時点でゲイン調整ステップを終わる。
【００３４】上記のように、エンジン回転数の２次成分に相当する範囲の周波数帯域において、消音確認マイクＭ２により検出された音のパワースペクトルが最小となるようにスピーカから発生する音の位相およびゲインを調整することにより、エンジンから直接耳に届く騒音と、スピーカから発せられる付加音が相殺され、エンジン回転数の２次成分が耳から入らなくなる。上記において、位相調整器ＢＢＤ１，増幅器Ａ１，スピーカＳＰ，消音確認マイクＭ２，第２周波数選択器ＳＣＦ１１，マイクロプロセッシングユニットＭＰＵはフィートバック系を構成しており、騒音に対する逆位相音を発生する逆位相音付与手段として構成されている。
【００３５】６気筒エンジンの場合や、他に周波数に追従する騒音が発生する場合には、それぞれの周波数に応じて複数個の逆位相音付与手段を設けてやればよい。
【００３６】内部に空間を有する物体に音圧を周期的に印加すると気柱共鳴を起こす。図６は直方体内部における気柱共鳴を示すものである。縦方向長さＬを有する気柱の共鳴周波数ｆは
【００３７】
【数３】ｆ＝ｃ／２Ｌ×ｉで示される。ここで、ｃは音速、ｉは次数である。気柱共鳴が発生すると内部の空間内に音圧分布が発生する。図７は乗用車の室内における縦１次モードの音圧分布を示す。縦１次モードおおける音圧は車室内の前後方向中央付近で最小となり、車室内前後方向に向かうにつれ増大する。また、図８に示すように、図示点線のまわりに対称に発生する。１ボックスカーにおける気柱共鳴は、図９に示すようにより明確である。音圧分布は車室内の縦方向の中心線を中心に上下に対称となる。実際の車両においては、座席の配置や乗客の影響で若干音圧分布がずれるが、ほぼ長さＬの点線のまわりに対称となる。
【００３８】上述したように、スピーカＳＰや消音確認用マイクＭ２は人の耳元に配置することが望ましい。また、通常は、騒音検出用マイクＭ１は騒音源の近くに配置される。しかし、車室内に気柱共鳴が発生すると、騒音掲出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２の位置によっては音圧が著しく異なってしまう。音圧が異なると消音動作が正確且つ敏速に行えない場合がある。したがって、騒音検出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２は音圧レベルの略等しい位置に配置することが望まれる。
【００３９】そこで、騒音検出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２の配置位置における音圧を等しくするには、騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクを、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置すればよい。騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４０】また、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置するようにしてもよい。車室内を直方体に近似すれば、直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置にある点は、気柱共鳴が発生した場合、音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４１】また、消音確認用マイクおよびスピーカをシートのヘッドレスト近傍に設置し、騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置するようにしてもよい。
【００４２】車室内で気柱共鳴が発生してもヘッドレスト近傍とシートの背もたれ部の下部は音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４３】上記実施例は車両におけるエンジンの騒音を低減する装置を示したが、本発明はエンジンに限らず、騒音源の状態に応じて騒音部の周波数が変化するようなものにも適用できる。例えば、飛行機の室内において、エンジン音を低減する場合等数々の応用が考えられる。この場合、スイッチドキャパシタフィルタのクロックを調整することで、任意の周波数帯域の騒音を低減すればよい。車両用としては、他に、シートアジャスタの作動音やワイパーの摺動音、トランスミッションの発するシフトチェンジ時の騒音、車両に搭載された電磁弁等の作動音等の低減にも効果を発する。
【００４４】本発明を車両に搭載する場合、各座席毎に本発明の騒音低減装置を搭載できる。この場合、本装置の作動を許可・禁止するスイッチを設け、個々の座席で切り換えれるようにするとよい。例えば、後部座席で寝ている人に対しては本装置を作動させ、また、運転者はエンジン音の確認や眠気防止のため本装置の作動を切るようにできる等、その場に応じた対応が可能になる。
【００４５】また、上記実施例において、ゲインを調整する際にゲインの量等の定数を加減することで、消音量を任意に決定することができる。これによれば、エンジンの発する音を消すのではなく、音量を低下できるので、エンジンの状態も確認できる上、騒音も低下し、快適にドライブすることができる。スピーカからでる音は単なる逆位相音ではなくなり、騒音をユーザーの好みの音に変えることもできる。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出音圧が略等しくなるので、消音動作が正確且つ敏速に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の騒音低減装置の実施例の構成図
【図２】図１のコントローラの回路図
【図３】図２の第１，第２周波数選択器ＳＣＦ１，ＳＣＦ１１の構造を示す回路図
【図４】４気筒車の室内の騒音分布図
【図５】図２のマイクロプロセッシングユニットＭＰＵのフローチャート
【図６】気柱共鳴の説明図
【図７】乗用車の室内の縦１次モードの音圧分布図
【図８】乗用車の室内の気柱共鳴の説明図
【図９】１ボックスカーの気柱共鳴の説明図
【図１０】適合制御方式を使用した従来技術の説明図
【符号の説明】
１０ 座席
１１ ヘッドレスト
１２ エンジン
１３ コントローラ
１４ 背もたれ部
２０ 位相差検出器
２１ チャージポンプ
２２ ループフィルタ
２３ 分周器
２５ 騒音検出用マイク
２６ トランスバーサルフィルタ
２７ スピーカ
２８ 消音確認用マイク
２９ 適応アルゴリズム
Ａ１ 増幅器
Ｍ１ 騒音検出マイク
Ｍ２ 消音確認マイク
ＭＰＵ マイクロプロセッシングユニット
Ｎ 分周値
ＢＢＤ１ 位相調整器
ＰＰ エンジン回転数センサ
ＳＣＦ スイッチドキャパシタフィルタ
ＳＣＦ１ 第１周波数選択器
ＳＣＦ１１ 第２周波数選択器
ＳＰ スピーカ
ＶＣＯ 電圧コントロールオシレータ
φｘｘ（ω），φｘｘｉ パワースペクトル
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、騒音に対して逆位相音を付加して騒音を低減するための騒音低減装置であり、乗用車、１ボックスカー等の車室の騒音の低減に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】騒音に対して逆位相音を付加して騒音を低減する方法として、一般には、適応制御方式がある。図１０は適応制御方式を示す。騒音検出用のマイク２５は騒音を検出し、トランスバーサルフィルタ２６は検出信号を畳み込み演算し、スピーカ２７から音を発生させる。一方、消音確認マイク２８から検出された信号は適応アルゴリズム２９に基づき最適と思われるトランスバーサルフィルタ２６のフィルタ係数を推定し、更新する。騒音低減は、消音確認マイクが検出する残騒音の平均２乗誤差を最小にする様働く。
【０００３】上記の方式の装置は、例えば、特開平２−１５８２９６号公報や、特開平３−５０９９８号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ここで、車室内に気柱共鳴が発生すると、室内の各所で音圧が変化する。例えば、消音確認用マイクをシートのヘッドレストに、騒音検出用マイクを足元に置いた場合、ヘッドレスト付近と足元では音圧が著しく違うため、消音動作が正確且つ敏速に行えない場合がある。
【０００５】そこで、本発明においては、車室内の騒音低減装置において、車室内に気柱共鳴が発生した場合においても消音動作を正確且つ敏速に行えるようにすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために本発明において用いた第１の手段は、騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクを、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置したことである。
【０００７】また、上記課題を解決するために本発明において用いた第２の手段は、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置したことである。
【０００８】更に、上記課題を解決するために本発明において用いた第３の手段は、消音確認用マイクおよびスピーカをシートのヘッドレスト近傍に設置し、騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置したことである。
【０００９】
【作用】上記第１の手段によれば、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１０】上記第２の手段においては、車室内を直方体に近似した場合、直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置にある点は、気柱共鳴が発生した場合、音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１１】上記第３の手段においては、車室内で気柱共鳴が発生してもヘッドレスト近傍とシートの背もたれ部の下部は音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００１２】
【実施例】以下、本発明を車両に搭載した場合の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１３】図１は本発明の構成図である。スピーカＳＰおよび消音確認マイクＭ２は座席１０のヘッドレスト１１または座席１０の背もたれ部１４から延びて、耳元に配置される。エンジン１２の回転数を検出するためにエンジン回転数センサＰＰが置かれている。騒音検出マイクＭ１は座席１０の背もたれ部の下部に設置されている。コントローラ１３はスピーカＳＰ、消音確認マイクＭ２、エンジン回転数センサＰＰおよび騒音検出マイクＭ１に接続されている。
【００１４】スピーカＳＰおよび消音確認マイクＭ２が人の耳元に配置されるため、スピーカＳＰは大きな音をだす必要がない。このため、スピーカＳＰからでた音が座席１０から離れた部分や車外に影響し、他の部分で音が強調されることもない。したがって確実に座席に座っている人の耳に入る騒音のみを低減するとともに、他に影響を与えない。
【００１５】車両の騒音源の内、一番大きなものはエンジンであるので、車両に搭載する場合はエンジンからの音を消音することが望まれる。図４は４気筒エンジンの車室内の騒音分布を示したものである。図におけるエンジン回転数は４０１６ｒｐｍ（６６．９Ｈｚ）であり、２次高調波成分の１３４Ｈｚ程度の部分ｃで大きな山ができている。ａはエンジン音の１次成分である。他の部分はロードノイズ等のエンジン回転以外によるものである。ｃの山はエンジンの回転数の変化に追従し、周波数が上下するが、この２次成分の音が特に乗客に取って騒音と感じられる。また、人間の耳に聞こえる可聴音は約５０Ｈｚ以上となるので、０〜４０Ｈｚ程度の部分にできてきるピーク部分は無視してよい。したがって、４気筒エンジンにおいては、図示ｃに示される２次成分のみを抽出し消音してやればよい。
【００１６】図２にコントローラ１３の詳細を示す。騒音検出マイクＭ１は車室内の音を検出する。検出された音は第１周波数選択器ＳＣＦ１を通過した後、位相調整器ＢＢＤ１および増幅器Ａ１を通してスピーカＳＰに送られる。エンジン回転数センサＰＰはパルスピックアップであり、エンジン出力軸もしくはエンジン出力軸に間接的に接続された軸の近傍に設置され、エンジン１２の回転数を検出する。
【００１７】第１周波数選択器ＳＣＦ１はエンジン回転数センサＰＰの出力ｅを受ける。第１周波数選択器ＳＣＦ１の内部構造を図３に示す。第１周波数選択器ＳＣＦ１はスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ、位相差検出器２０、チャージポンプ２１、ループフィルタ２２、電圧コントロールオシレータＶＣＯおよび分周器２３よりなる。位相差検出器２０は分周器からのパルスとエンジンからのパルスの位相差を求める。チャージポンプ２１は分周器２３からのパルスとエンジンからのパルスの位相差を零にするよう働き、位相調整した量の電圧パルスを出力する。ループフィルタ２２は積分器の構成をとっており、チャージポンプ２１からの電圧パルスをアナログ電圧の形にして電圧コントロールオシレータＶＣＯに送出する。電圧コントロールオシレータＶＣＯは入力電圧に応じた周波数パルスを発振し、クロックパルスＣＬとしてスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦおよび分周器２３へ送る。分周器２３は入力パルスを１／Ｎに分周し周波数を１／Ｎに落とす。このＮは整数であり、予め設定しておく。本実施例ではＮ＝１００としている。
【００１８】今、エンジン回転パルスの周波数のＮ倍がスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦへのクロック周波数に一致しているとする。ここで、エンジン回転数が上昇すると、分周器２３からのパルスとエンジン回転パルスとの間に位相差が生ずる。
【００１９】このとき、チャージポンプ２１はこの位相差を零にするよう働き、位相が増大するときには出力パルス電圧を上げ、位相差が減少するときには出力パルス電圧を下げる。ループフィルタ２２は出力パルスをアナログ電圧に変換し、電圧コントロールオシレータＶＣＯはこのアナログ電圧に相当する周波数のクロックパルスを発生するので、位相差が増大するときにはクロック周波数が増加し、位相差が減少するときにはクロック周波数が減少する。したがって、クロック周波数はエンジン回転数に応じて上下する。ループフィルタ２２は積分器の構成をとっているので、位相差が一致して、チャージポンプからのパルスが出力されなくなってもそれまでの値を出力し続ける。したがって、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦヘ出力されるクロックパルスＣＬの周波数はエンジン回転数のＮ倍となる。
【００２０】スイッチドキャパシタフィルタはクロックＣＬの周波数に応じて等価抵抗Ｒｅｑが変化する特性を有するスイッチドキャパシタを応用したものである。等価抵抗Ｒｅｑは、１／（Ｃ・ｆｃ）となる。フィルタを設計するときに、このＲｅｑを抵抗とすれば、ｆｃの変化に追従するフィルタを実現することができる。ナショナルセミコンダクタ製のＭＦ１０ユニバーサルモノリシックデュアルスイッチドキャパシタフィルタを用いれば、クロックパルスＣＬの周波数ｆｃに応じた周波数帯域のみを抽出するバンドパスフィルタを形成することができる。
【００２１】このように、エンジン回転数の周波数のＮ倍の周波数をもつクロックパルスがスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦに与えられ、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦはクロックパルスの周波数に応じて選択する周波数帯域を調整する。この値Ｎと、電圧コントロールオシレータＶＣＯの電圧範囲を調整すれば、エンジン回転数の２倍の周波数のみを抽出できるようなバンドパスフィルタが得られる。これにより、騒音検出マイクＭ１により検出された車室内音のうち、エンジン回転数の２次高調波成分だけ抽出できる。
【００２２】抽出された２次高調波成分の信号ＰＡは位相調整器ＢＢＤ１を通過する。位相調整器ＢＢＤ１はＢＢＤ（Ｂｕｃｋｅｔ Ｂｒｉｇａｄｅ Ｄｅｖｉｃｅ）により構成される。このＢＢＤは複数段の遅延線を有し、クロックを入れる毎に順次電荷を入力側から出力側へ転送するものであり、市販品として松下電子製のＭＮ３００５がある。クロック周波数を可変とすると、クロック周波数に応じた信号の遅延ができ、位相をずらすことができる。位相調整器ＢＢＤ１に与えられるクロック周波数ｆはマイクロプロセッシングユニットＭＰＵから与えられる。
【００２３】位相調整器ＢＢＤ１を通過した信号ＰＢは増幅器Ａ１に与えられる。増幅器Ａ１は入力信号ＰＢ１をゲインＫだけ増幅し、出力信号ＰＣ１を得る。ゲインＫは可変であり、マイクロプロセッシングユニットＭＰＵから与えられる。出力信号ＰＣはスピーカＳＰに与えられる。したがって、騒音検出マイクＭ１により検出された車室内音のうち、エンジン回転数の２次高調波成分を位相調整し、増幅した音がスピーカから発せられる。
【００２４】スピーカの発生した音は騒音源であるエンジンや車室内外から到達する音と一緒に運転者，乗客の耳に入る。同時にこれらの音は消音確認マイクＭ２により検出される。消音確認マイクＭ２の出力ＶＢは第２周波数選択手段である第２周波数選択器ＳＣＦ１１により周波数選択され、信号ＰＤとしてマイクロプロセッシングユニットＭＰＵに送られる。第２周波数選択器ＳＣＦ１１は第１周波数選択器ＳＣＦ１と同一の構成をしており、エンジン回転数の２次高調波成分に相当する周波数帯域の信号のみ抽出される。
【００２５】マイクロプロセッシングユニットＭＰＵは、前述したように、第２周波数選択器ＳＣＦ１１からの信号を受け、位相調整器ＢＢＤ１へクロック周波数ｆを、増幅器Ａ１へゲインＫを送出する。マイクロプロセッシングユニットＭＰＵは図５のフローチャートに沿って作動する。
【００２６】マイクロプロセッシングユニットＭＰＵがスタートすると、まず、ステップ３０において内部のメモリーや入出力ポート等の初期化が行われ、次に、位相調整ステップ（ステップ３１〜４０）およびゲイン調整ステップ（ステップ４１〜４９）が繰り返される。
【００２７】位相調整ステップにおいては、まず、パワースペクトルの算出が行われる。パワースペクトルとは時間的に変動する量の、２乗平均を周波数成分の分布として表したものである。
【００２８】通常、スイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ１１を通過した信号をＸ（ｔ）と仮定し、 Ｔ≦ｔ≦Ｔの区間だけ観測した信号をｘｔ（ｔ）とすると、パワースペクトルφｘｘ（ω）は、
【００２９】
【数１】
【００３０】ここで、ＸＴ（ω）はｘｔ（ｔ）のフーリエ変換、Ｅ［］は期待値を表す。実際にはＴ→無限大とすることは不可能であるので、ここでは取り込んだデータ数ｎを用いる。この場合、パワースペクトルφｘｘ（ω）は、
【００３１】
【数２】φｘｘ（ω）＝Ｅ〔ｌＸＴ（ω）ｌ2 ／２ｎ〕
で表される。
【００３２】ステップ３１では上記のようにしてパワースペクトルφｘｘ（ω）を求め、パワースペクトルφｘｘｉとしている。次に、パワースペクトルを最小にするよう位相調整する。ステップ３２にて、位相を現在の値よりΔθだけ進める。これにより位相調整器ＢＢＤ１によりスイッチドキャパシタフィルタＳＣＦ１から出力された信号の位相がΔθだけ進められる。次に、ステップ３３にて再びパワースペクトルφｘｘｉを求め、ステップ３４にて前回の値に対してレベルが上がったか下がったかを判断する。パワースペクトルφｘｘｉのレベルが下がれば、位相を進めたことがパワースペクトルφｘｘｉを下げることにつながっているので、再び位相をΔθだけ進める（ステップ３８）。ステップ３９にて再びパワースペクトルφｘｘｉを求め、パワースペクトルφｘｘｉが最小値になるまで位相を進め続ける。ステップ３４にてパワースペクトルが前回の値に対して上がっていたならば、位相を遅らせてパワースペクトルを下げる。この場合もパワースペクトルφｘｘｉが最小値になるまで位相を遅らせ続ける。パワースペクトルが最小になった時点で騒音に対して付加音が逆位相になったと判断する。
【００３３】次に、ゲイン調整ステップを行う。騒音と付加音のレベルの絶対値が一致したならば騒音と付加音は相殺されるのでパワースペクトルが最小になる。そこで、位相調整ステップと同様にパワースペクトルを最小にするようなゲインを求める。まず、ゲインを上げ、パワースペクトルが増加したならばゲインを下げ続け、パワースペクトルが減少したならばゲインを上げ続ける。パワースペクトルが最小となった時点でゲイン調整ステップを終わる。
【００３４】上記のように、エンジン回転数の２次成分に相当する範囲の周波数帯域において、消音確認マイクＭ２により検出された音のパワースペクトルが最小となるようにスピーカから発生する音の位相およびゲインを調整することにより、エンジンから直接耳に届く騒音と、スピーカから発せられる付加音が相殺され、エンジン回転数の２次成分が耳から入らなくなる。上記において、位相調整器ＢＢＤ１，増幅器Ａ１，スピーカＳＰ，消音確認マイクＭ２，第２周波数選択器ＳＣＦ１１，マイクロプロセッシングユニットＭＰＵはフィートバック系を構成しており、騒音に対する逆位相音を発生する逆位相音付与手段として構成されている。
【００３５】６気筒エンジンの場合や、他に周波数に追従する騒音が発生する場合には、それぞれの周波数に応じて複数個の逆位相音付与手段を設けてやればよい。
【００３６】内部に空間を有する物体に音圧を周期的に印加すると気柱共鳴を起こす。図６は直方体内部における気柱共鳴を示すものである。縦方向長さＬを有する気柱の共鳴周波数ｆは
【００３７】
【数３】ｆ＝ｃ／２Ｌ×ｉで示される。ここで、ｃは音速、ｉは次数である。気柱共鳴が発生すると内部の空間内に音圧分布が発生する。図７は乗用車の室内における縦１次モードの音圧分布を示す。縦１次モードおおける音圧は車室内の前後方向中央付近で最小となり、車室内前後方向に向かうにつれ増大する。また、図８に示すように、図示点線のまわりに対称に発生する。１ボックスカーにおける気柱共鳴は、図９に示すようにより明確である。音圧分布は車室内の縦方向の中心線を中心に上下に対称となる。実際の車両においては、座席の配置や乗客の影響で若干音圧分布がずれるが、ほぼ長さＬの点線のまわりに対称となる。
【００３８】上述したように、スピーカＳＰや消音確認用マイクＭ２は人の耳元に配置することが望ましい。また、通常は、騒音検出用マイクＭ１は騒音源の近くに配置される。しかし、車室内に気柱共鳴が発生すると、騒音掲出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２の位置によっては音圧が著しく異なってしまう。音圧が異なると消音動作が正確且つ敏速に行えない場合がある。したがって、騒音検出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２は音圧レベルの略等しい位置に配置することが望まれる。
【００３９】そこで、騒音検出用マイクＭ１と消音検出用マイクＭ２の配置位置における音圧を等しくするには、騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクを、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置すればよい。騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４０】また、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置するようにしてもよい。車室内を直方体に近似すれば、直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置にある点は、気柱共鳴が発生した場合、音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４１】また、消音確認用マイクおよびスピーカをシートのヘッドレスト近傍に設置し、騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置するようにしてもよい。
【００４２】車室内で気柱共鳴が発生してもヘッドレスト近傍とシートの背もたれ部の下部は音圧レベルが略等しくなる。したがって、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出する音の音圧は、車室内で気柱共鳴が発生しても略等しくなるので、消音動作が正確に行える。
【００４３】上記実施例は車両におけるエンジンの騒音を低減する装置を示したが、本発明はエンジンに限らず、騒音源の状態に応じて騒音部の周波数が変化するようなものにも適用できる。例えば、飛行機の室内において、エンジン音を低減する場合等数々の応用が考えられる。この場合、スイッチドキャパシタフィルタのクロックを調整することで、任意の周波数帯域の騒音を低減すればよい。車両用としては、他に、シートアジャスタの作動音やワイパーの摺動音、トランスミッションの発するシフトチェンジ時の騒音、車両に搭載された電磁弁等の作動音等の低減にも効果を発する。
【００４４】本発明を車両に搭載する場合、各座席毎に本発明の騒音低減装置を搭載できる。この場合、本装置の作動を許可・禁止するスイッチを設け、個々の座席で切り換えれるようにするとよい。例えば、後部座席で寝ている人に対しては本装置を作動させ、また、運転者はエンジン音の確認や眠気防止のため本装置の作動を切るようにできる等、その場に応じた対応が可能になる。
【００４５】また、上記実施例において、ゲインを調整する際にゲインの量等の定数を加減することで、消音量を任意に決定することができる。これによれば、エンジンの発する音を消すのではなく、音量を低下できるので、エンジンの状態も確認できる上、騒音も低下し、快適にドライブすることができる。スピーカからでる音は単なる逆位相音ではなくなり、騒音をユーザーの好みの音に変えることもできる。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、騒音検出用マイクと消音確認用マイクの検出音圧が略等しくなるので、消音動作が正確且つ敏速に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の騒音低減装置の実施例の構成図
【図２】図１のコントローラの回路図
【図３】図２の第１，第２周波数選択器ＳＣＦ１，ＳＣＦ１１の構造を示す回路図
【図４】４気筒車の室内の騒音分布図
【図５】図２のマイクロプロセッシングユニットＭＰＵのフローチャート
【図６】気柱共鳴の説明図
【図７】乗用車の室内の縦１次モードの音圧分布図
【図８】乗用車の室内の気柱共鳴の説明図
【図９】１ボックスカーの気柱共鳴の説明図
【図１０】適合制御方式を使用した従来技術の説明図
【符号の説明】
１０ 座席
１１ ヘッドレスト
１２ エンジン
１３ コントローラ
１４ 背もたれ部
２０ 位相差検出器
２１ チャージポンプ
２２ ループフィルタ
２３ 分周器
２５ 騒音検出用マイク
２６ トランスバーサルフィルタ
２７ スピーカ
２８ 消音確認用マイク
２９ 適応アルゴリズム
Ａ１ 増幅器
Ｍ１ 騒音検出マイク
Ｍ２ 消音確認マイク
ＭＰＵ マイクロプロセッシングユニット
Ｎ 分周値
ＢＢＤ１ 位相調整器
ＰＰ エンジン回転数センサ
ＳＣＦ スイッチドキャパシタフィルタ
ＳＣＦ１ 第１周波数選択器
ＳＣＦ１１ 第２周波数選択器
ＳＰ スピーカ
ＶＣＯ 電圧コントロールオシレータ
φｘｘ（ω），φｘｘｉ パワースペクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクは、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置したことを特徴とする車室内の騒音低減装置。
【請求項２】 １ボックスカーの騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記消音検出マイク及び騒音確認マイクは車室内の中心線に対し、垂直方向の等距離位置に設置したことを特徴とする１ボックスカーの騒音低減装置。
【請求項３】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置したことを特徴とする車両の騒音低減装置。
【請求項４】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記消音確認用マイクおよびスピーカは、シートのヘッドレスト近傍に設置され、前記騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置されたことを特徴とする車室内の騒音低減装置。
【請求項１】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記騒音検出用マイクおよび消音確認用マイクは、車室内で気柱共鳴を起こすときの音圧が対称となる線に対し、その線を中心にしてして垂直方向に等距離位置になるよう配置したことを特徴とする車室内の騒音低減装置。
【請求項２】 １ボックスカーの騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記消音検出マイク及び騒音確認マイクは車室内の中心線に対し、垂直方向の等距離位置に設置したことを特徴とする１ボックスカーの騒音低減装置。
【請求項３】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、車室内を直方体に近似し、該直方体の中心線に対し、垂直方向等距離位置に騒音検出用マイクと消音確認用マイクを設置したことを特徴とする車両の騒音低減装置。
【請求項４】 車両の騒音源の発生する音を検出する騒音検出用マイク、騒音検出用マイクの検出音の逆位相音を発生する逆位相音発生手段、逆位相音発生手段により作成された逆位相音を鳴らすスピーカ、スピーカの近傍に設けられた消音確認用マイク、消音確認用マイクの検出音に応じて逆位相音発生手段の制御を補正する補正手段、を備える騒音低減装置において、前記消音確認用マイクおよびスピーカは、シートのヘッドレスト近傍に設置され、前記騒音検出用マイクはシートの背もたれ部の下部に設置されたことを特徴とする車室内の騒音低減装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図５】
【図７】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開平５−２７３９８７
【公開日】平成５年（１９９３）１０月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−６６４１５
【出願日】平成４年（１９９２）３月２４日
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１４６７００）株式会社新産業開発 (1)
【公開日】平成５年（１９９３）１０月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）３月２４日
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１４６７００）株式会社新産業開発 (1)
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