２次元エネルギー密度センサを使用するエネルギー密度制御システム
【課題】筐体（１１０）内の雑音を低減するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】方法は、少なくとも１つの基準信号（１０５）を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（３３０）から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサ（３３０）は筐体（１１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号（１０５）を使用して出力信号を生成し、音響センサ（３３０）の位置においてエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータ（３４０）に送信するステップと、を備えている。
【解決手段】方法は、少なくとも１つの基準信号（１０５）を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（３３０）から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサ（３３０）は筐体（１１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号（１０５）を使用して出力信号を生成し、音響センサ（３３０）の位置においてエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータ（３４０）に送信するステップと、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される方法およびシステムは、音響雑音低減の分野に関する。より詳細には、制御システムにデータを供給する１つまたは複数の２次元エネルギー密度センサを使用して効果的に音響雑音を低減するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたって、不要または有害な音、すなわち雑音を除去するために多くの取り組みが成されてきた。最もよく使用された技法は受動型雑音消去であるが、これは雑音をダンパーで覆うことによって雑音を除去しようとする。受動型雑音制御は、多くの場合、防音材、天井タイル、およびマフラーにより行われる。残念なことに、受動型雑音制御システムは大きくて扱いにくく、中および高周波音に最も効果を発揮する。
【０００３】
受動型雑音消去に対する魅力的な代替方法は、能動型雑音消去（「ＡＮＣ」）である。能動型雑音消去は、一般に雑音と位相がずれている音響信号を生成することによる、電子音響手段による音場変更である。本質的に、能動型雑音消去システムは、消去すべき雑音のミラーイメージである音場を電子的に生成しようと試みる。能動型雑音消去の研究は、１９３６年にＬｕｅｇに付与された能動型雑音消去に関する最初の特許（特許文献１）と共に、１９３０年代に始められた。研究は、マイクロフォン付近の低周波雑音を減衰させるためのフィードバックメカニズムを備えた電子消音機の開発に携わったＯｌｓｏｎおよびＭａｙにより１９５０年代へと引き継がれた（非特許文献１）。残念ながら、ＯｌｓｏｎおよびＭａｙの電子消音機は高周波において不安定であった。
【０００４】
過去３０年間の間、デジタル信号処理および制御理論の進歩は、能動型雑音消去への関心の高まりと研究を促進してきた。この研究は、商業的に実現可能な能動型雑音消去システムを市場にもたらした。能動型雑音消去システムは、より高性能のヘッドフォン、自動車、およびＨＶＡＣシステムに見受けられる。
【０００５】
自動車は、閉ざされた空間での能動型雑音消去の現在の使用を示す適例となっている。自動車において能動型雑音消去を達成するため、多くの場合、自動車の運転者がさらされる３次元の音波、または雑音を検出するように、エラーセンサ、つまり音響センサまたはマイクロフォンが運転者の頭に近接して配置される。残念なことに、このように配置された音響センサは、運転者の視界、柔軟性、および快適さを妨げることが多い。さらに、そのような音響センサの配置は、不要な雑音の全体的な制御ではなく、局所的な制御しか提供しない傾向がある。
【０００６】
ほとんどの能動型雑音消去システムは、平方音圧（「ＳＰ」）を最小化することにより雑音を低減することに重点を置いている。ただし、ペンシルベニア州立大学のＳｏｍｍｅｒｆｅｌｄｔによる研究は、音響エネルギー密度（「ＥＤ」）を最小化することがＳＰの最小化よりも有利であることを示した。音響エネルギー密度は、音波の圧力およびその速度の両方を考察する（非特許文献２）。ＥＤの制御はさらに、閉ざされた音場内のエラーセンサの配置に対する感受性が低いという点において、ＳＰよりも有利である。閉ざされた音場にＳＰ技術を使用する場合、３つの直交方向に存在する節面がある。一方、ＥＤを使用する場合、単に、圧力の２つの直交節面の交点に存在する節線（ｎｏｄａｌ ｌｉｎｅ）があるだけである。したがって、センサの所定の配置に対して、センサが節から離れて配置される確率がはるかに高くなる。さらにＥＤは、ＳＰに比べて雑音のより全体的な減衰をもたらす。
【０００７】
ＥＤは、音響粒子速度、および音圧に依存する。粒子速度は３次元の数量であるため、ほとんどの既存のＥＤ ＡＮＣシステムでは、３つの直交方向ごとに２つ、合計６つの音響センサを備える３次元エネルギー密度センサを使用する。音響センサの各対は、制御システムに信号を提供して、対の直交方向の粒子速度成分をもたらす。直交音響センサの３つの対からの３つの速度成分のベクトルの和から、粒子速度が得られる。６つの音響センサの平均から、音圧が得られる。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２０４３４１６号
【非特許文献１】H.F. Olsen and E.G. May, "Electronic Sound Absorber," J. Acoust. Soc. Am.25, 1130-1136 (1953)
【非特許文献２】J.W. Parkins, S.D. Sommerfeldt, and J.Tichy, "Narrowband and Broadband Active Control in an Enclosure Using the Acoustic Energy Density," J. Acoust. Soc. Am. 108, 192-203 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
既存のＥＤ ＡＮＣシステムの不利な点は、誤差信号（ｅｒｒｏｒ ｓｉｇｎａｌ）を形成する３次元入力の計算を行うために追加的な計算能力が必要になることである。いくつかの研究組織では４マイクロフォンのＥＤセンサを使用したが、４つのマイクロフォンは４面体構成に配置され、従来の３次元のＳＰシステムの感知に使用される。本発明は、従来技術に関連する１つまたは複数の問題または欠点を克服することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示される実施形態に従って、筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内の雑音を低減する方法が説明される。方法は、少なくとも１つの基準信号を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは筐体の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータに送信するステップとを備えている。
【００１１】
開示される実施形態のもう１つの態様に従って、機械読取り可能の記憶媒体が説明される。記憶媒体は、実行可能な命令をマシン上に格納している。命令の実行は、筐体内の雑音を低減する方法を実装するように適合される。方法は、少なくとも１つの基準信号を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは実質的に平行で筐体の内面に近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータに送信するステップとを備えている。
【００１２】
開示される実施形態のもう１つの態様に従って、筐体内の雑音を低減するためのシステムが説明される。システムは、基準信号、音響アクチュエータ、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対を含むセンサ装置であって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは筐体の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、基準信号、音響アクチュエータ、およびセンサと通信するコントローラを含んでいる。コントローラは、基準信号を受信し、センサ装置から圧力信号を受信し、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、センサ装置の位置におけるエネルギー密度を最小化し、出力信号を音響アクチュエータに送信するように動作可能である。
【００１３】
以上の説明は、開示される実施形態の態様をいくつか要約したに過ぎず、実施形態の範囲全体を反映することを意図したものではない。以下の説明に示されている追加の特徴および利点は、説明を読めば明らかになろう。あるいは本開示の教示を実施することにより確認されるであろう。さらに、前述の要約および以下の詳細な説明は共に模範的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲でさらに詳細に説明することを意図している。
【００１４】
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図は、１つの実施形態を示し、説明と共に実施形態の動作原理を説明する役割を果たしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の模範的な実施形態が詳細にわたって参照され、その実施例については付属の図面により説明される。同一または同様の部分を参照するために、可能な限り、図面全体を通じて同一の参照番号が使用される。
【００１６】
３次元センサを使用してエネルギー密度を感知して誤差信号の直接入力を制御システムに提供するエネルギー密度能動型雑音消去システムとは異なり、本発明のシステムは、２次元センサを使用して誤差信号を制御システムに提供する。自動車キャビンのように閉ざされた空間内の剛体の表面上、またはこれに比較的近接して２次元センサを取り付け、剛体の表面に平行な平面に音響センサを方向を合わせることにより、剛体の表面に垂直な方向の粒子速度の速度成分が、たとえばゼロと分かる。このようにして、本発明の発明者は、２次元センサを３次元センサの代わりに使用して、必要なコンピュータ、音響センサ、関連ハードウェアの数、およびＡＮＣシステムの計算能力を大幅に削減できることを見出した。さらに、２次元センサのサイズおよび形状は、３次元センサのシステムに比べてはるかに小型で平坦であるため、閉ざされた空間内にさらに多くのセンサを散在させることができる。
【００１７】
センサがシリンダに取り付けられている１つの円筒形の実施形態において、円筒形の２次元センサの縦横比は２／５である。ここで縦横比は、シリンダの深さをシリンダの直径で割ったものである。この縦横比について、音響センサの効果的な音響分離距離は、物理的分離距離の３／２である。
【００１８】
筐体は、たとえば６つの面に囲まれる立方体領域のように、完全に壁で囲まれている空間に限定する必要はない。その代わり、本発明において使用されるように、筐体は少なくとも２つの対向する面または壁を備える任意の空間を備えることができる。壁は、互いに近接している必要はない。たとえば、筐体の１つの壁は、工場の内壁によって形成されたもう一方の壁と共に工場内の機械の外面によって形成されたものであってもよい。
【００１９】
音場の合計エネルギーは、位置および運動エネルギー量で構成される。位置エネルギーは音圧の関数であり、運動エネルギーは音響粒子速度の関数である。位置エネルギーは以下のように表すことができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
ここで、ｐは音響エネルギー、ｐ０は周囲の空気の密度、ｃは音の速さ、Ｖ０は位置エネルギーを含んでいる空気の体積である。空気の体積における合計運動エネルギーは以下のように表すことができる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
ここで、ｕは音響粒子速度の大きさである。瞬間の合計音響エネルギー密度は、位置エネルギー密度および運動エネルギー密度の和であり、以下のように表すことができる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
空気の密度および空気中の音の速度を既知の定数と仮定することによって、ＥＤを計算するために測定する必要があるのは音圧および粒子速度だけになる。音響センサの対を使用して、粒子速度は、単一方向の音響センサの軸に沿って測定することができる。面に平行で近接して配置された直交音響センサの２つの対から、３つの軸に沿って粒子速度が得られる。つまり、直角に配置された音響センサの２つの対によって定義されるｘ軸とｙ軸に沿って、および音響センサおよび剛体の表面に垂直のゼロ速度の既知の速度である。したがって、制御システムに接続された２次元センサおよび１つまたは複数の音響アクチュエータは、効果的なＡＮＣシステムを形成することができる。
【００２６】
開示される実施形態と一致する制御システムは、フィードフォワード制御システムを使用することができる。フィードフォワード制御システムは、参照入力を受け入れてあらかじめ到来する雑音を予測し、雑音に逆に作用するのに十分間に合うように適切な制御信号を生成できるようになっている。閉ざされた空間の壁の振動が雑音源であると考えられる場合、本発明のシステムでは、音波の重ね合わせの原理を使用して、雑音源により放射される音響エネルギーを最小に抑えるように、雑音源によって見られた音響放射インピーダンスを変更する。
【００２７】
当業者に周知の、Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、開示される制御システムの実施形態に合わせて修正することができる。標準的なＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、ＳＰシステムと共に使用することが意図されている。修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、その用途が音圧および音響粒子速度の両方に依存するＥＤシステム向けであることを考慮している。
【００２８】
図１は、修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳ制御システム１００のブロック図を示している。基準信号ｘ（ｎ）１０５は、システムに供給される。基準信号１０５は、たとえば、自動車エンジンのような雑音源からのタコメーター信号であってもよい。基準信号１０５は、たとえばエンジンの筐体またはキャビンなどのプラント１１０に入り、ノイズを生じるが、これはエネルギー密度制御の観点から音圧１１５および音粒子速度１２０を備えている。筐体は、少なくとも２つの実質的に対向する側面を有する空間である。音粒子速度は３次元のベクトル量であり、すべての３つの成分はエネルギー密度に潜在的に寄与する可能性がある。
【００２９】
制御システム１００は、基準信号１０５を受信し、有限インパルス応答（「ＦＩＲ」）フィルタ１３５を基準信号に適用して出力信号ｕ（ｎ）１４０を生成する。出力信号１４０は、出力信号１４０が誤差信号ｅ（ｎ）１３０への寄与として制御システム１００に戻る前に通過する必要がある第２の経路パスＨ（ｚ）１４５を経由して進む。第２の経路１４５は、たとえばデジタル／アナログ変換器、フィルタ、オーディオパワーアンプ、音響アクチュエータ、音響伝送路、エラーセンサ、信号処理電子技術、アンチエイリアスフィルタ、およびアナログ／デジタル変換器など、制御システム１００のハードウェア実装に固有の効果を備えることもできる。第２の経路１４５の出力は、相殺（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）圧力１５０および相殺（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）粒子速度１５５を備えている。速度加重シンボル１６０および圧力加重シンボル１６５によって示されているこれらの音波の重ね合わせは、雑音を低減する。処理ブロック１２５は、閉ざされた空間の実際の低減された雑音レベルを感知し、直交するｘおよびｙ方向の圧力および速度成分からエネルギー密度量の実際の勾配を計算する。処理ブロック１２５は、誤差信号としてエネルギー密度勾配量をＦＩＲフィルタ１３５に送信する。
【００３０】
ＦＩＲフィルタ１３５は、その制御フィルタ係数に第２の経路の効果を組み込む。第２の経路の効果の推定は、システム識別の処理を通じて得ることができる。システム識別は、第２の経路１４５の伝達関数をモデル化する。システム識別は、システムが稼動中またはオフラインの間に実行することができる。オフラインのシステム識別は、既知の信号を未知のシステムに投入して、システムの出力を測定することによって実行することができる。既知の信号の例には、ホワイトノイズがある。システム識別の実行により、ＦＩＲフィルタ１４５の係数が確立される。
【００３１】
図２は、筐体内の雑音を低減するための制御システム１００の動作を示すフロー図である。制御システム１００は、低減すべき雑音の主音調成分の基準信号１０５を受信する（ステージ２１０）。基準信号１０５に加えて、制御システム１００は、筐体内の面に平行で近接して配置された直交音響センサの２つの対から圧力信号を受信する（ステージ２２０）。音響センサを筐体内の面に近接して配置することにより、面に垂直な速度は既知の量ゼロになり、追加の音響センサおよび処理能力は必要なくなる。
【００３２】
制御システム１００は、以下の数式に従って、ｘおよびｙ方向の雑音粒子速度を計算する。
【００３３】
【数４】
【００３４】
ここで、ρは空気の密度、Δｘは対の音響センサ間の有効距離、ｐは対の各音響センサにおける雑音圧力である。数式は、ＶｘおよびＶｙを生成するように計算される。さらに、たとえば、４つの音響センサにおいて感知された圧力の平均をとることにより、平均雑音圧力が計算される（ステージ２３０）。平面を定義するには３点で十分であるため、２つの対の直交に配置された音響センサの代わりに３つの音響センサを使用できることを、当業者であれば理解するであろう。このようにして、音響センサ構成の配置および三角法が指示するように、計算は３音響センサシステムに合わせて適切に変化する。
【００３５】
制御システム１００内のコントローラの各サイクルは、ＦＩＲフィルタの制御フィルタ係数を更新することができる。これは、システム識別プロセスで生成されたシステム識別フィルタが基準信号に適応されてＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が生成され（ステージ２４０）、誤差信号（ｅｒｒｏｒ ｓｉｇｎａｌ）１３０と共にＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が使用されて制御フィルタ係数ｗｉ（ｎ）の値が更新される（ステージ２５０）という２つのステップのプロセスである。
【００３６】
ステージ２４０に戻ると、２つの音響アクチュエータを有するシステムにおいて、第１の音響アクチュエータの圧力ｒｐ，１（ｎ）、第１の音響アクチュエータのｘ方向の速度ｒｖｘ，１（ｎ）、第１の音響アクチュエータのｙ方向の速度ｒｖｙ，１（ｎ）、第２の音響アクチュエータの圧力ｒｐ，２（ｎ）、第２の音響アクチュエータのｘ方向の速度ｒｖｘ，２（ｎ）、第２の音響アクチュエータのｙ方向の速度ｒｖｙ，２（ｎ）の６つのＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が形成される。Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号の形成は、たとえば第１の音響アクチュエータのｘ方向の場合、以下のようになる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
ここで、
【００３９】
【数６】
【００４０】
係数は、システム識別プロセスから得られたシステム識別係数である（ステージ２４０）。Ｊの値が大きくなれば、それに応じて決定されるシステム識別係数の数も大きくなる。基本的に
【００４１】
【数７】
【００４２】
係数は、制御出力からセンサ入力へのインパルス応答をモデル化するか、または前述のように第２の経路１４５をモデル化する。システム識別係数の数が増加すると、モデル化できるインパルス応答の部分が増加する。システム識別係数の数が、インパルス応答のほとんどのエネルギーを取り込むために必要な数を超えて増加すると、収穫逓減をもたらす。
【００４３】
制御フィルタ係数は、コントローラの各サイクル中に更新することができる（ステージ２５０）。音響アクチュエータごとに１つの各出力は、関連するＦＩＲフィルタ１３５を備えている。制御フィルタ係数は、以下の公式に従って、Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号および基準信号１０５を使用して更新される。
ｗｉ（ｎ＋１）＝ｗｉ（ｎ）−μρｃｖｘ（ｎ）ｒｖｘ（ｎ−ｉ）−μρｃｖｙ（ｎ）ｒｖｙ（ｎ−ｉ）−μｐ（ｎ）ｒｐ（ｎ−ｉ）
【００４４】
ここで、ｉは０からＩ−１（Ｉは通常８から１２８の範囲をとる）、ｃは音の速度、μはフィルタ収束因数（通常１０−９から１０−１２前後）である。上記の数式から分かるように、制御フィルタ係数は現在および過去のＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を使用するので、コントローラはこれらの信号の現在過去値のバッファを保持することができる。フィルタが収束するレートは、μによって制御される。大きなμの値はフィルタ収束の速度を増加させるが、この値を極端に高くすると、達成される減衰の量を減少させることもあり、その結果制御システムが不安定になる可能性がある。
【００４５】
制御システムが、次の制御サイクル中に使用するためにＦＩＲフィルタ１３５への更新を計算している間（ステージ２３０から２５０）、制御システムは現在の制御フィルタ係数を基準信号に適用して、雑音を音響的に相殺する（ステージ２６０および２７０）。コントローラは、以下の数式に従い、制御フィルタ係数の現在の推定値を使用して、制御チャネルごとに１つずつ、２つの出力信号１４０を生成する（ステージ２６０）。
【００４６】
【数８】
【００４７】
ここで、Ｉはフィルタ係数の数を表し、ｗｉはフィルタ係数である。一般に、３２またはそれよりも小さい係数は、システムを良好に制御するのに十分である。
【００４８】
制御システムは、１つまたは複数の出力信号を取り込み、それぞれの音響アクチュエータを駆動する（ステージ２７０）。次にコントローラは、基準信号の読み取りに戻り（ステージ２１０）、プロセスを繰り返す（ステージ２８０）。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
図３は、２次元センサ３３０を使用するエネルギー密度ＡＮＣ制御システムの実装を示している。ＡＮＣ制御システムでは、２次元センサ３３０を使用して２つの直交方向の粒子速度を感知し、自動車キャビン３１０などの閉ざされた空間の音圧を測定する。２次元センサ３３０は、自動車キャビン内部の面に垂直に近接して配置される。２次元センサ３３０は、たとえば自動車キャビン３１０の天井の下など、視界から隠して配置することができる。２次元センサ３３０を形成する音響センサの２つの対からの信号は、制御システム３２０と通信する。制御システム３２０は、たとえばＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＤＳＰまたはＭｏｔｏｒｏｌａ ＤＳＰなどのデジタル信号プロセッサ、あるいはマイクロプロセッサを含むことができる。制御システム３２０は、図１および図２を参照して説明される働きに従って動作する。
【００５０】
制御システム３２０はさらに、２次元センサ３３０および信号処理電子技術と通信するための入力／出力ボードを含むこともできる。制御システム３２０で使用される入力／出力ボードは、たとえば、１２ビットデジタル／アナログ変換器（「ＤＡＣ」）およびアナログ／デジタル（「ＡＤＣ」）変換器を含むことができる。信号制御電子技術は、２次元センサ３３０からの入力に対する調整可能なゲインを提供することもできる。たとえば、０、１０、または２０ｄＢのゲインは、２次元センサ３３０の音響センサごとに適用して微調整することができる。さらに、２次元センサ３３０からのアナログ信号は、ＡＤＣの前に低域フィルタ処理してエイリアシングを減少させることができ、ＤＳＰからのデジタル信号は、ＤＡＣの後にフィルタ処理して量子化による望ましくない高周波数成分を除去することができる。
【００５１】
制御システム３２０は、２次元センサ３３０からの入力をエネルギー密度誤差信号として使用する。基準信号３５０は、たとえばエンジンタコメーターから、制御システム３２０に供給される。基準信号３５０は、低域フィルタ処理することもできる。
【００５２】
自動車内の雑音は、エンジンのような回転構成要素の回転速度に関連する音調成分に支配される場合もある。たとえば通常の６気筒エンジンにおいて、エンジン点火頻度は、エンジン回転数の３倍であり、一般に自動車のキャビン内部の雑音の主要な音調成分である。エンジン点火頻度は通常、４０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲である。したがって、基準信号３５０は、エンジン点火頻度に対応する。
【００５３】
制御システム３２０の出力は、１つまたは複数の音響アクチュエータ３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃに供給することができる。通常の設置において、音響アクチュエータ３４０ａおよび３４０ｂは左および右の音響アクチュエータを表し、それぞれの高域フィルタ経由でそれぞれの制御信号を受信する。音響アクチュエータ３４０ｃはサブウーファーであり、加算器３８０を通じて低域フィルタの対を経由する制御システム３２０の左および右の出力を受信することができる。このようにして、サブウーファー３４０ｃは、制御システム３２０の両方の出力チャネルの出力周波数を生成する役割を果たしている。サブウーファー３４０ｃは、システム３００と共に使用する必要はないが、低周波数範囲で付加的な支援を行う。音響アクチュエータ３４０は、制御システム３２０からの信号がエンターテイメントシステム出力増幅器の音響出力と混合されている、自動車内に設置された標準エンターテイメントシステムの一部であってもよい。あるいは、制御システム３２０は、自動車の標準エンターテイメントシステムに組み入れられ、標準エンターテイメントシステムの出力増幅器と共用することもできる。
【００５４】
上記の実施態様は単一の２次元センサを参照して説明されているが、複数のセンサを使用することができる。さらに、２つよりも多いまたは少ない出力チャネルも使用することができる。
【００５５】
図４は、２次元センサ３３０を示している。２次元センサ３３０は、直交して配列された音響センサの２つの対４２０および４３０を備えている。音響センサ対の間の距離は既知であり、上記で説明した速度の数式に使用することができる。音響センサ対４２０、４３０の各音響センサは、粒子速度および平均音圧を計算するために制御システム３２０に渡すように、環境から音圧を受信する。たとえば、音響センサ対４３０は音波４１０ｘから圧力を受信し、音響センサ対４２０は音波４１０ｙから圧力を受信する。前述のように、制御システム３２０の適切な変更により、３音響センサシステムを使用できることを、当業者であれば理解するであろう。
【００５６】
図５は、制御システム３２０をさらに詳細に示している。特に、制御システム３２０は制御係数更新プロセス３２０ｂを含んでいる。制御係数更新プロセスは、基準信号に適用されるシステム識別フィルタを使用してＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成する。制御センサ３３０からの誤差信号と共にＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を使用して、制御フィルタ係数ｗｉ（ｎ）の値が更新される。これらの関数については、図２のステージ２４０およびステージ２５０を参照して前述されている。係数更新プロセス３２０ｂは、２チャンネルシステムの機能要素を示している。係数更新プロセスから生成された制御係数はＦＩＲフィルタ３２０ａで使用され、図２のステージ２６０に関して前述されているように２つのチャンネルの出力信号を生成する。
【００５７】
さらに、本システムの態様は、たとえば、工場フロアの機械に近接する雑音を低減するために使用することができる。センサ３３０は、機械の面に垂直に近接して配置することができる。機械の面は、オペレータの周囲の雑音が低減されるように、機械オペレータの位置に近接させることができる。筐体は、機械の面と、工場の内壁、別の機械の面、または個々の壁の面など追加の面によって形成される機械に近接する空間を含んでいる。
【００５８】
明確な特性のさまざまな変更および変形を行うことができ、そのようなすべての変更および変形は添付の特許請求の範囲内であることが、当業者には容易に明らかとなろう。他の実施形態は、本開示の明細および実施を考察することにより、当業者には明らかとなろう。本発明の明細および実施例は模範的なものに過ぎないと見なされるよう意図され、添付の請求の範囲およびその等価物によって本発明の開示の真の範囲および精神が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳ制御システムを示すブロック図である。
【図２】筐体内の雑音を低減するための制御システムの動作を示すフロー図である。
【図３】２次元センサを使用するエネルギー密度ＡＮＣ制御システムの実装を示す図である。
【図４】２次元センサを示す図である。
【図５】制御システムのさらなる詳細を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００、３２０ 制御システム
１１０ プラント
１２５ 処理ブロック
１３５ 有限インパルス応答フィルタ
３１０ 筐体
３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ 音響アクチュエータ
３３０ ２次元センサ
３８０ 加算器
【技術分野】
【０００１】
開示される方法およびシステムは、音響雑音低減の分野に関する。より詳細には、制御システムにデータを供給する１つまたは複数の２次元エネルギー密度センサを使用して効果的に音響雑音を低減するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたって、不要または有害な音、すなわち雑音を除去するために多くの取り組みが成されてきた。最もよく使用された技法は受動型雑音消去であるが、これは雑音をダンパーで覆うことによって雑音を除去しようとする。受動型雑音制御は、多くの場合、防音材、天井タイル、およびマフラーにより行われる。残念なことに、受動型雑音制御システムは大きくて扱いにくく、中および高周波音に最も効果を発揮する。
【０００３】
受動型雑音消去に対する魅力的な代替方法は、能動型雑音消去（「ＡＮＣ」）である。能動型雑音消去は、一般に雑音と位相がずれている音響信号を生成することによる、電子音響手段による音場変更である。本質的に、能動型雑音消去システムは、消去すべき雑音のミラーイメージである音場を電子的に生成しようと試みる。能動型雑音消去の研究は、１９３６年にＬｕｅｇに付与された能動型雑音消去に関する最初の特許（特許文献１）と共に、１９３０年代に始められた。研究は、マイクロフォン付近の低周波雑音を減衰させるためのフィードバックメカニズムを備えた電子消音機の開発に携わったＯｌｓｏｎおよびＭａｙにより１９５０年代へと引き継がれた（非特許文献１）。残念ながら、ＯｌｓｏｎおよびＭａｙの電子消音機は高周波において不安定であった。
【０００４】
過去３０年間の間、デジタル信号処理および制御理論の進歩は、能動型雑音消去への関心の高まりと研究を促進してきた。この研究は、商業的に実現可能な能動型雑音消去システムを市場にもたらした。能動型雑音消去システムは、より高性能のヘッドフォン、自動車、およびＨＶＡＣシステムに見受けられる。
【０００５】
自動車は、閉ざされた空間での能動型雑音消去の現在の使用を示す適例となっている。自動車において能動型雑音消去を達成するため、多くの場合、自動車の運転者がさらされる３次元の音波、または雑音を検出するように、エラーセンサ、つまり音響センサまたはマイクロフォンが運転者の頭に近接して配置される。残念なことに、このように配置された音響センサは、運転者の視界、柔軟性、および快適さを妨げることが多い。さらに、そのような音響センサの配置は、不要な雑音の全体的な制御ではなく、局所的な制御しか提供しない傾向がある。
【０００６】
ほとんどの能動型雑音消去システムは、平方音圧（「ＳＰ」）を最小化することにより雑音を低減することに重点を置いている。ただし、ペンシルベニア州立大学のＳｏｍｍｅｒｆｅｌｄｔによる研究は、音響エネルギー密度（「ＥＤ」）を最小化することがＳＰの最小化よりも有利であることを示した。音響エネルギー密度は、音波の圧力およびその速度の両方を考察する（非特許文献２）。ＥＤの制御はさらに、閉ざされた音場内のエラーセンサの配置に対する感受性が低いという点において、ＳＰよりも有利である。閉ざされた音場にＳＰ技術を使用する場合、３つの直交方向に存在する節面がある。一方、ＥＤを使用する場合、単に、圧力の２つの直交節面の交点に存在する節線（ｎｏｄａｌ ｌｉｎｅ）があるだけである。したがって、センサの所定の配置に対して、センサが節から離れて配置される確率がはるかに高くなる。さらにＥＤは、ＳＰに比べて雑音のより全体的な減衰をもたらす。
【０００７】
ＥＤは、音響粒子速度、および音圧に依存する。粒子速度は３次元の数量であるため、ほとんどの既存のＥＤ ＡＮＣシステムでは、３つの直交方向ごとに２つ、合計６つの音響センサを備える３次元エネルギー密度センサを使用する。音響センサの各対は、制御システムに信号を提供して、対の直交方向の粒子速度成分をもたらす。直交音響センサの３つの対からの３つの速度成分のベクトルの和から、粒子速度が得られる。６つの音響センサの平均から、音圧が得られる。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２０４３４１６号
【非特許文献１】H.F. Olsen and E.G. May, "Electronic Sound Absorber," J. Acoust. Soc. Am.25, 1130-1136 (1953)
【非特許文献２】J.W. Parkins, S.D. Sommerfeldt, and J.Tichy, "Narrowband and Broadband Active Control in an Enclosure Using the Acoustic Energy Density," J. Acoust. Soc. Am. 108, 192-203 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
既存のＥＤ ＡＮＣシステムの不利な点は、誤差信号（ｅｒｒｏｒ ｓｉｇｎａｌ）を形成する３次元入力の計算を行うために追加的な計算能力が必要になることである。いくつかの研究組織では４マイクロフォンのＥＤセンサを使用したが、４つのマイクロフォンは４面体構成に配置され、従来の３次元のＳＰシステムの感知に使用される。本発明は、従来技術に関連する１つまたは複数の問題または欠点を克服することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
開示される実施形態に従って、筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）内の雑音を低減する方法が説明される。方法は、少なくとも１つの基準信号を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは筐体の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータに送信するステップとを備えている。
【００１１】
開示される実施形態のもう１つの態様に従って、機械読取り可能の記憶媒体が説明される。記憶媒体は、実行可能な命令をマシン上に格納している。命令の実行は、筐体内の雑音を低減する方法を実装するように適合される。方法は、少なくとも１つの基準信号を受信するステップと、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは実質的に平行で筐体の内面に近接している平面に配置されることと、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するステップと、出力信号を音響アクチュエータに送信するステップとを備えている。
【００１２】
開示される実施形態のもう１つの態様に従って、筐体内の雑音を低減するためのシステムが説明される。システムは、基準信号、音響アクチュエータ、２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対を含むセンサ装置であって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、音響センサは筐体の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、基準信号、音響アクチュエータ、およびセンサと通信するコントローラを含んでいる。コントローラは、基準信号を受信し、センサ装置から圧力信号を受信し、圧力信号および基準信号を使用して出力信号を生成し、センサ装置の位置におけるエネルギー密度を最小化し、出力信号を音響アクチュエータに送信するように動作可能である。
【００１３】
以上の説明は、開示される実施形態の態様をいくつか要約したに過ぎず、実施形態の範囲全体を反映することを意図したものではない。以下の説明に示されている追加の特徴および利点は、説明を読めば明らかになろう。あるいは本開示の教示を実施することにより確認されるであろう。さらに、前述の要約および以下の詳細な説明は共に模範的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲でさらに詳細に説明することを意図している。
【００１４】
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図は、１つの実施形態を示し、説明と共に実施形態の動作原理を説明する役割を果たしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の模範的な実施形態が詳細にわたって参照され、その実施例については付属の図面により説明される。同一または同様の部分を参照するために、可能な限り、図面全体を通じて同一の参照番号が使用される。
【００１６】
３次元センサを使用してエネルギー密度を感知して誤差信号の直接入力を制御システムに提供するエネルギー密度能動型雑音消去システムとは異なり、本発明のシステムは、２次元センサを使用して誤差信号を制御システムに提供する。自動車キャビンのように閉ざされた空間内の剛体の表面上、またはこれに比較的近接して２次元センサを取り付け、剛体の表面に平行な平面に音響センサを方向を合わせることにより、剛体の表面に垂直な方向の粒子速度の速度成分が、たとえばゼロと分かる。このようにして、本発明の発明者は、２次元センサを３次元センサの代わりに使用して、必要なコンピュータ、音響センサ、関連ハードウェアの数、およびＡＮＣシステムの計算能力を大幅に削減できることを見出した。さらに、２次元センサのサイズおよび形状は、３次元センサのシステムに比べてはるかに小型で平坦であるため、閉ざされた空間内にさらに多くのセンサを散在させることができる。
【００１７】
センサがシリンダに取り付けられている１つの円筒形の実施形態において、円筒形の２次元センサの縦横比は２／５である。ここで縦横比は、シリンダの深さをシリンダの直径で割ったものである。この縦横比について、音響センサの効果的な音響分離距離は、物理的分離距離の３／２である。
【００１８】
筐体は、たとえば６つの面に囲まれる立方体領域のように、完全に壁で囲まれている空間に限定する必要はない。その代わり、本発明において使用されるように、筐体は少なくとも２つの対向する面または壁を備える任意の空間を備えることができる。壁は、互いに近接している必要はない。たとえば、筐体の１つの壁は、工場の内壁によって形成されたもう一方の壁と共に工場内の機械の外面によって形成されたものであってもよい。
【００１９】
音場の合計エネルギーは、位置および運動エネルギー量で構成される。位置エネルギーは音圧の関数であり、運動エネルギーは音響粒子速度の関数である。位置エネルギーは以下のように表すことができる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
ここで、ｐは音響エネルギー、ｐ０は周囲の空気の密度、ｃは音の速さ、Ｖ０は位置エネルギーを含んでいる空気の体積である。空気の体積における合計運動エネルギーは以下のように表すことができる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
ここで、ｕは音響粒子速度の大きさである。瞬間の合計音響エネルギー密度は、位置エネルギー密度および運動エネルギー密度の和であり、以下のように表すことができる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
空気の密度および空気中の音の速度を既知の定数と仮定することによって、ＥＤを計算するために測定する必要があるのは音圧および粒子速度だけになる。音響センサの対を使用して、粒子速度は、単一方向の音響センサの軸に沿って測定することができる。面に平行で近接して配置された直交音響センサの２つの対から、３つの軸に沿って粒子速度が得られる。つまり、直角に配置された音響センサの２つの対によって定義されるｘ軸とｙ軸に沿って、および音響センサおよび剛体の表面に垂直のゼロ速度の既知の速度である。したがって、制御システムに接続された２次元センサおよび１つまたは複数の音響アクチュエータは、効果的なＡＮＣシステムを形成することができる。
【００２６】
開示される実施形態と一致する制御システムは、フィードフォワード制御システムを使用することができる。フィードフォワード制御システムは、参照入力を受け入れてあらかじめ到来する雑音を予測し、雑音に逆に作用するのに十分間に合うように適切な制御信号を生成できるようになっている。閉ざされた空間の壁の振動が雑音源であると考えられる場合、本発明のシステムでは、音波の重ね合わせの原理を使用して、雑音源により放射される音響エネルギーを最小に抑えるように、雑音源によって見られた音響放射インピーダンスを変更する。
【００２７】
当業者に周知の、Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、開示される制御システムの実施形態に合わせて修正することができる。標準的なＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、ＳＰシステムと共に使用することが意図されている。修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳアルゴリズムは、その用途が音圧および音響粒子速度の両方に依存するＥＤシステム向けであることを考慮している。
【００２８】
図１は、修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳ制御システム１００のブロック図を示している。基準信号ｘ（ｎ）１０５は、システムに供給される。基準信号１０５は、たとえば、自動車エンジンのような雑音源からのタコメーター信号であってもよい。基準信号１０５は、たとえばエンジンの筐体またはキャビンなどのプラント１１０に入り、ノイズを生じるが、これはエネルギー密度制御の観点から音圧１１５および音粒子速度１２０を備えている。筐体は、少なくとも２つの実質的に対向する側面を有する空間である。音粒子速度は３次元のベクトル量であり、すべての３つの成分はエネルギー密度に潜在的に寄与する可能性がある。
【００２９】
制御システム１００は、基準信号１０５を受信し、有限インパルス応答（「ＦＩＲ」）フィルタ１３５を基準信号に適用して出力信号ｕ（ｎ）１４０を生成する。出力信号１４０は、出力信号１４０が誤差信号ｅ（ｎ）１３０への寄与として制御システム１００に戻る前に通過する必要がある第２の経路パスＨ（ｚ）１４５を経由して進む。第２の経路１４５は、たとえばデジタル／アナログ変換器、フィルタ、オーディオパワーアンプ、音響アクチュエータ、音響伝送路、エラーセンサ、信号処理電子技術、アンチエイリアスフィルタ、およびアナログ／デジタル変換器など、制御システム１００のハードウェア実装に固有の効果を備えることもできる。第２の経路１４５の出力は、相殺（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）圧力１５０および相殺（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ）粒子速度１５５を備えている。速度加重シンボル１６０および圧力加重シンボル１６５によって示されているこれらの音波の重ね合わせは、雑音を低減する。処理ブロック１２５は、閉ざされた空間の実際の低減された雑音レベルを感知し、直交するｘおよびｙ方向の圧力および速度成分からエネルギー密度量の実際の勾配を計算する。処理ブロック１２５は、誤差信号としてエネルギー密度勾配量をＦＩＲフィルタ１３５に送信する。
【００３０】
ＦＩＲフィルタ１３５は、その制御フィルタ係数に第２の経路の効果を組み込む。第２の経路の効果の推定は、システム識別の処理を通じて得ることができる。システム識別は、第２の経路１４５の伝達関数をモデル化する。システム識別は、システムが稼動中またはオフラインの間に実行することができる。オフラインのシステム識別は、既知の信号を未知のシステムに投入して、システムの出力を測定することによって実行することができる。既知の信号の例には、ホワイトノイズがある。システム識別の実行により、ＦＩＲフィルタ１４５の係数が確立される。
【００３１】
図２は、筐体内の雑音を低減するための制御システム１００の動作を示すフロー図である。制御システム１００は、低減すべき雑音の主音調成分の基準信号１０５を受信する（ステージ２１０）。基準信号１０５に加えて、制御システム１００は、筐体内の面に平行で近接して配置された直交音響センサの２つの対から圧力信号を受信する（ステージ２２０）。音響センサを筐体内の面に近接して配置することにより、面に垂直な速度は既知の量ゼロになり、追加の音響センサおよび処理能力は必要なくなる。
【００３２】
制御システム１００は、以下の数式に従って、ｘおよびｙ方向の雑音粒子速度を計算する。
【００３３】
【数４】
【００３４】
ここで、ρは空気の密度、Δｘは対の音響センサ間の有効距離、ｐは対の各音響センサにおける雑音圧力である。数式は、ＶｘおよびＶｙを生成するように計算される。さらに、たとえば、４つの音響センサにおいて感知された圧力の平均をとることにより、平均雑音圧力が計算される（ステージ２３０）。平面を定義するには３点で十分であるため、２つの対の直交に配置された音響センサの代わりに３つの音響センサを使用できることを、当業者であれば理解するであろう。このようにして、音響センサ構成の配置および三角法が指示するように、計算は３音響センサシステムに合わせて適切に変化する。
【００３５】
制御システム１００内のコントローラの各サイクルは、ＦＩＲフィルタの制御フィルタ係数を更新することができる。これは、システム識別プロセスで生成されたシステム識別フィルタが基準信号に適応されてＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が生成され（ステージ２４０）、誤差信号（ｅｒｒｏｒ ｓｉｇｎａｌ）１３０と共にＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が使用されて制御フィルタ係数ｗｉ（ｎ）の値が更新される（ステージ２５０）という２つのステップのプロセスである。
【００３６】
ステージ２４０に戻ると、２つの音響アクチュエータを有するシステムにおいて、第１の音響アクチュエータの圧力ｒｐ，１（ｎ）、第１の音響アクチュエータのｘ方向の速度ｒｖｘ，１（ｎ）、第１の音響アクチュエータのｙ方向の速度ｒｖｙ，１（ｎ）、第２の音響アクチュエータの圧力ｒｐ，２（ｎ）、第２の音響アクチュエータのｘ方向の速度ｒｖｘ，２（ｎ）、第２の音響アクチュエータのｙ方向の速度ｒｖｙ，２（ｎ）の６つのＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号が形成される。Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号の形成は、たとえば第１の音響アクチュエータのｘ方向の場合、以下のようになる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
ここで、
【００３９】
【数６】
【００４０】
係数は、システム識別プロセスから得られたシステム識別係数である（ステージ２４０）。Ｊの値が大きくなれば、それに応じて決定されるシステム識別係数の数も大きくなる。基本的に
【００４１】
【数７】
【００４２】
係数は、制御出力からセンサ入力へのインパルス応答をモデル化するか、または前述のように第２の経路１４５をモデル化する。システム識別係数の数が増加すると、モデル化できるインパルス応答の部分が増加する。システム識別係数の数が、インパルス応答のほとんどのエネルギーを取り込むために必要な数を超えて増加すると、収穫逓減をもたらす。
【００４３】
制御フィルタ係数は、コントローラの各サイクル中に更新することができる（ステージ２５０）。音響アクチュエータごとに１つの各出力は、関連するＦＩＲフィルタ１３５を備えている。制御フィルタ係数は、以下の公式に従って、Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号および基準信号１０５を使用して更新される。
ｗｉ（ｎ＋１）＝ｗｉ（ｎ）−μρｃｖｘ（ｎ）ｒｖｘ（ｎ−ｉ）−μρｃｖｙ（ｎ）ｒｖｙ（ｎ−ｉ）−μｐ（ｎ）ｒｐ（ｎ−ｉ）
【００４４】
ここで、ｉは０からＩ−１（Ｉは通常８から１２８の範囲をとる）、ｃは音の速度、μはフィルタ収束因数（通常１０−９から１０−１２前後）である。上記の数式から分かるように、制御フィルタ係数は現在および過去のＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を使用するので、コントローラはこれらの信号の現在過去値のバッファを保持することができる。フィルタが収束するレートは、μによって制御される。大きなμの値はフィルタ収束の速度を増加させるが、この値を極端に高くすると、達成される減衰の量を減少させることもあり、その結果制御システムが不安定になる可能性がある。
【００４５】
制御システムが、次の制御サイクル中に使用するためにＦＩＲフィルタ１３５への更新を計算している間（ステージ２３０から２５０）、制御システムは現在の制御フィルタ係数を基準信号に適用して、雑音を音響的に相殺する（ステージ２６０および２７０）。コントローラは、以下の数式に従い、制御フィルタ係数の現在の推定値を使用して、制御チャネルごとに１つずつ、２つの出力信号１４０を生成する（ステージ２６０）。
【００４６】
【数８】
【００４７】
ここで、Ｉはフィルタ係数の数を表し、ｗｉはフィルタ係数である。一般に、３２またはそれよりも小さい係数は、システムを良好に制御するのに十分である。
【００４８】
制御システムは、１つまたは複数の出力信号を取り込み、それぞれの音響アクチュエータを駆動する（ステージ２７０）。次にコントローラは、基準信号の読み取りに戻り（ステージ２１０）、プロセスを繰り返す（ステージ２８０）。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
図３は、２次元センサ３３０を使用するエネルギー密度ＡＮＣ制御システムの実装を示している。ＡＮＣ制御システムでは、２次元センサ３３０を使用して２つの直交方向の粒子速度を感知し、自動車キャビン３１０などの閉ざされた空間の音圧を測定する。２次元センサ３３０は、自動車キャビン内部の面に垂直に近接して配置される。２次元センサ３３０は、たとえば自動車キャビン３１０の天井の下など、視界から隠して配置することができる。２次元センサ３３０を形成する音響センサの２つの対からの信号は、制御システム３２０と通信する。制御システム３２０は、たとえばＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＤＳＰまたはＭｏｔｏｒｏｌａ ＤＳＰなどのデジタル信号プロセッサ、あるいはマイクロプロセッサを含むことができる。制御システム３２０は、図１および図２を参照して説明される働きに従って動作する。
【００５０】
制御システム３２０はさらに、２次元センサ３３０および信号処理電子技術と通信するための入力／出力ボードを含むこともできる。制御システム３２０で使用される入力／出力ボードは、たとえば、１２ビットデジタル／アナログ変換器（「ＤＡＣ」）およびアナログ／デジタル（「ＡＤＣ」）変換器を含むことができる。信号制御電子技術は、２次元センサ３３０からの入力に対する調整可能なゲインを提供することもできる。たとえば、０、１０、または２０ｄＢのゲインは、２次元センサ３３０の音響センサごとに適用して微調整することができる。さらに、２次元センサ３３０からのアナログ信号は、ＡＤＣの前に低域フィルタ処理してエイリアシングを減少させることができ、ＤＳＰからのデジタル信号は、ＤＡＣの後にフィルタ処理して量子化による望ましくない高周波数成分を除去することができる。
【００５１】
制御システム３２０は、２次元センサ３３０からの入力をエネルギー密度誤差信号として使用する。基準信号３５０は、たとえばエンジンタコメーターから、制御システム３２０に供給される。基準信号３５０は、低域フィルタ処理することもできる。
【００５２】
自動車内の雑音は、エンジンのような回転構成要素の回転速度に関連する音調成分に支配される場合もある。たとえば通常の６気筒エンジンにおいて、エンジン点火頻度は、エンジン回転数の３倍であり、一般に自動車のキャビン内部の雑音の主要な音調成分である。エンジン点火頻度は通常、４０Ｈｚから２００Ｈｚの範囲である。したがって、基準信号３５０は、エンジン点火頻度に対応する。
【００５３】
制御システム３２０の出力は、１つまたは複数の音響アクチュエータ３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃに供給することができる。通常の設置において、音響アクチュエータ３４０ａおよび３４０ｂは左および右の音響アクチュエータを表し、それぞれの高域フィルタ経由でそれぞれの制御信号を受信する。音響アクチュエータ３４０ｃはサブウーファーであり、加算器３８０を通じて低域フィルタの対を経由する制御システム３２０の左および右の出力を受信することができる。このようにして、サブウーファー３４０ｃは、制御システム３２０の両方の出力チャネルの出力周波数を生成する役割を果たしている。サブウーファー３４０ｃは、システム３００と共に使用する必要はないが、低周波数範囲で付加的な支援を行う。音響アクチュエータ３４０は、制御システム３２０からの信号がエンターテイメントシステム出力増幅器の音響出力と混合されている、自動車内に設置された標準エンターテイメントシステムの一部であってもよい。あるいは、制御システム３２０は、自動車の標準エンターテイメントシステムに組み入れられ、標準エンターテイメントシステムの出力増幅器と共用することもできる。
【００５４】
上記の実施態様は単一の２次元センサを参照して説明されているが、複数のセンサを使用することができる。さらに、２つよりも多いまたは少ない出力チャネルも使用することができる。
【００５５】
図４は、２次元センサ３３０を示している。２次元センサ３３０は、直交して配列された音響センサの２つの対４２０および４３０を備えている。音響センサ対の間の距離は既知であり、上記で説明した速度の数式に使用することができる。音響センサ対４２０、４３０の各音響センサは、粒子速度および平均音圧を計算するために制御システム３２０に渡すように、環境から音圧を受信する。たとえば、音響センサ対４３０は音波４１０ｘから圧力を受信し、音響センサ対４２０は音波４１０ｙから圧力を受信する。前述のように、制御システム３２０の適切な変更により、３音響センサシステムを使用できることを、当業者であれば理解するであろう。
【００５６】
図５は、制御システム３２０をさらに詳細に示している。特に、制御システム３２０は制御係数更新プロセス３２０ｂを含んでいる。制御係数更新プロセスは、基準信号に適用されるシステム識別フィルタを使用してＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成する。制御センサ３３０からの誤差信号と共にＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を使用して、制御フィルタ係数ｗｉ（ｎ）の値が更新される。これらの関数については、図２のステージ２４０およびステージ２５０を参照して前述されている。係数更新プロセス３２０ｂは、２チャンネルシステムの機能要素を示している。係数更新プロセスから生成された制御係数はＦＩＲフィルタ３２０ａで使用され、図２のステージ２６０に関して前述されているように２つのチャンネルの出力信号を生成する。
【００５７】
さらに、本システムの態様は、たとえば、工場フロアの機械に近接する雑音を低減するために使用することができる。センサ３３０は、機械の面に垂直に近接して配置することができる。機械の面は、オペレータの周囲の雑音が低減されるように、機械オペレータの位置に近接させることができる。筐体は、機械の面と、工場の内壁、別の機械の面、または個々の壁の面など追加の面によって形成される機械に近接する空間を含んでいる。
【００５８】
明確な特性のさまざまな変更および変形を行うことができ、そのようなすべての変更および変形は添付の特許請求の範囲内であることが、当業者には容易に明らかとなろう。他の実施形態は、本開示の明細および実施を考察することにより、当業者には明らかとなろう。本発明の明細および実施例は模範的なものに過ぎないと見なされるよう意図され、添付の請求の範囲およびその等価物によって本発明の開示の真の範囲および精神が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】修正されたＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ ＬＭＳ制御システムを示すブロック図である。
【図２】筐体内の雑音を低減するための制御システムの動作を示すフロー図である。
【図３】２次元センサを使用するエネルギー密度ＡＮＣ制御システムの実装を示す図である。
【図４】２次元センサを示す図である。
【図５】制御システムのさらなる詳細を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００、３２０ 制御システム
１１０ プラント
１２５ 処理ブロック
１３５ 有限インパルス応答フィルタ
３１０ 筐体
３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ 音響アクチュエータ
３３０ ２次元センサ
３８０ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）（１１０）内の雑音を低減する方法であって、
少なくとも１つの基準信号（１０５）を受信するステップと、
２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（３３０）から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、前記音響センサは、前記筐体（１１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、
前記音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するように、出力信号（１４０）を生成するために前記圧力信号および前記基準信号（１０５）を使用するステップと、
前記出力信号（１４０）を音響アクチュエータ（３４０）に送信するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記圧力信号を使用するステップは、前記ｘ方向の音響センサの前記対からの前記圧力信号からｘ方向速度信号を、前記ｙ方向の音響センサの前記対からの前記圧力信号からｙ方向速度信号を生成するステップ（２３０）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１つまたは複数の前記受信した圧力信号から平均圧力信号を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基準信号（１０５）に制御フィルタ係数（１３５）を適用して前記出力信号（１４０）を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成するために、前記基準信号（１０５）にシステム識別フィルタ（３２０ｂ）を適用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
筐体（３１０）内の雑音を低減するシステムであって、
基準信号（３５０）と、
音響アクチュエータ（３４０）と、
２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（４２０、４３０）を含むセンサ装置（３３０）であって、音響センサの１つの対（４３０）はｘ方向にあり、音響センサの１つの対（４２０）はｙ方向にあり、前記音響センサ（４２０、４３０）は前記筐体（３１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、
前記基準信号（３５０）、前記音響アクチュエータ（３４０）、および前記センサ装置（３３０）と通信するコントローラ（３２０）であって、
前記基準信号（３５０）を受信し、
前記センサ装置（３３０）からの圧力信号を受信し、
前記センサ装置（３３０）の位置におけるエネルギー密度を最小化するように、出力信号を生成するために前記圧力信号および前記基準信号（３５０）を使用し、
前記出力信号を前記音響アクチュエータ（３４０）に送信するように動作可能なことと、
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記コントローラ（３２０）は前記ｘ方向の音響センサの前記対（４３０）からの前記圧力信号からｘ方向速度信号と、前記ｙ方向の音響センサの前記対（４２０）からの前記圧力信号からｙ方向速度信号とを生成するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラ（３２０）は、１つまたは複数の前記受信した圧力信号から平均圧力信号を生成するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記コントローラ（３２０）は、前記出力信号を生成するために前記基準信号（３５０）に制御フィルタ係数を適用するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラ（３２０）は、前記基準信号（３５０）にシステム識別フィルタを適用してＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１】
筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）（１１０）内の雑音を低減する方法であって、
少なくとも１つの基準信号（１０５）を受信するステップと、
２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（３３０）から圧力信号を受信するステップであって、音響センサの１つの対はｘ方向にあり、音響センサの１つの対はｙ方向にあり、前記音響センサは、前記筐体（１１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、
前記音響センサの位置におけるエネルギー密度を最小化するように、出力信号（１４０）を生成するために前記圧力信号および前記基準信号（１０５）を使用するステップと、
前記出力信号（１４０）を音響アクチュエータ（３４０）に送信するステップと、
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記圧力信号を使用するステップは、前記ｘ方向の音響センサの前記対からの前記圧力信号からｘ方向速度信号を、前記ｙ方向の音響センサの前記対からの前記圧力信号からｙ方向速度信号を生成するステップ（２３０）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１つまたは複数の前記受信した圧力信号から平均圧力信号を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基準信号（１０５）に制御フィルタ係数（１３５）を適用して前記出力信号（１４０）を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ｆｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成するために、前記基準信号（１０５）にシステム識別フィルタ（３２０ｂ）を適用するステップをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
筐体（３１０）内の雑音を低減するシステムであって、
基準信号（３５０）と、
音響アクチュエータ（３４０）と、
２つ以下の実質的に直角に配置された音響センサの対（４２０、４３０）を含むセンサ装置（３３０）であって、音響センサの１つの対（４３０）はｘ方向にあり、音響センサの１つの対（４２０）はｙ方向にあり、前記音響センサ（４２０、４３０）は前記筐体（３１０）の内面に実質的に平行で近接している平面に配置されることと、
前記基準信号（３５０）、前記音響アクチュエータ（３４０）、および前記センサ装置（３３０）と通信するコントローラ（３２０）であって、
前記基準信号（３５０）を受信し、
前記センサ装置（３３０）からの圧力信号を受信し、
前記センサ装置（３３０）の位置におけるエネルギー密度を最小化するように、出力信号を生成するために前記圧力信号および前記基準信号（３５０）を使用し、
前記出力信号を前記音響アクチュエータ（３４０）に送信するように動作可能なことと、
を備えたことを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記コントローラ（３２０）は前記ｘ方向の音響センサの前記対（４３０）からの前記圧力信号からｘ方向速度信号と、前記ｙ方向の音響センサの前記対（４２０）からの前記圧力信号からｙ方向速度信号とを生成するようにさらに動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラ（３２０）は、１つまたは複数の前記受信した圧力信号から平均圧力信号を生成するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記コントローラ（３２０）は、前記出力信号を生成するために前記基準信号（３５０）に制御フィルタ係数を適用するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラ（３２０）は、前記基準信号（３５０）にシステム識別フィルタを適用してＦｉｌｔｅｒｄ−Ｘ信号を生成するようさらに動作可能であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−６５３２４（Ｐ２００６−６５３２４Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−２３１１５６（Ｐ２００５−２３１１５６）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５０５３００１６２）ブリガム ヤング ユニバーシティ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３１１５６（Ｐ２００５−２３１１５６）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５０５３００１６２）ブリガム ヤング ユニバーシティ (2)
【Ｆターム（参考）】
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