石山亜弓

0807
適応制御に基づく
真空モータの能動騒音制御
Active noise control of vacuum motor
based on adaptive control
○石山
川﨑
小林
根本
亜弓(長岡技科大)
健史(長岡技科大)
泰秀(長岡技科大)
伸治(山本電気(株))
背景
掃除機の騒音「吸気音」「モータ音」「排気音」
翼通過周波数騒音
ステータ：固定
ロータ：時計回りに回転
モータのブレードによっ
て排出された空気が
ステータの壁に衝突する
ことで発生
背景
翼通過周波数騒音(別名：NZ音)
N:モータ回転周波数560[Hz]
Z:ブレードの枚数8[枚]
i=1,2,3…
N×Z×i=4.5[kHz], 9[kHz],13.5[kHz],…
1次
2次
3次
3[kHz]
NZ1次音→人の耳が最も聞こえやすい
3[kHz]付近の高周波数を持つ
背景
掃除機NZ音に対する対策例（実用化済）
○サイレンサを用いる手法(シャープ技報第94号， 2006)
○ファンブレードの枚数を変更することでNZ音を使用者
が聞こえやすい周波数帯域から遠ざける手法
(http://panasonic.jp/ ，2013)
掃除機NZ音に対する能動騒音制御
はまだ実用化されていない
本研究の目的
能動騒音制御を用いて，NZ音を低減すること
①開ループ制御(モータ回転信号のみを使用)
• 吸気制限を行うとNZ音が変化すること，これより騒音をフィード
バックする閉ループ制御が必要であることを示す
②適応制御(マイク出力信号も使用)
•モータ回転周波数が10[Hz]異なると制御性能が劣化する[川崎，
2013]より，現状ではNZ音の変化には対応できない
③ダクト断面の騒音・制御音分布測定
•適応制御においてマイクの位置では騒音低減効果が得られたが，
ダクト断面で均一に低減できるかを調べるために行う
開ループ制御実験装置
L=1000
l1=660
掃除機の
ホース
消音ダクト
D=φ150
騒音
制御音
プリ
アンプ
パワー
アンプ
コントローラ
(dsPIC)
D/A
ゲイン
スピーカ駆動信号
モータ回転信号
A/D
位相
PC2
PC1
PC１で観測されたNZ1次音が小さくなるように
ゲインと位相を可変抵抗により手動調整
開ループ制御
モータ回転周波数554[Hz](このときのモータ最高回転数)
約70%低減
Control off
Control on
NZ1次音を低減することができた
開ループ制御(吸気制限)
吸引口にプレートを乗せて吸気制限を行う
同一のゲイン・位相で騒音低減が可能か検証する
プレート
φ22.5[mm]
ホース吸引口
φ40[mm]
開ループ制御(吸気制限)
NZ1次音の3次元表示
⑥
⑤
モータ回転周波数が
落ち着くまで待つ(10分程)
①制御無し(1分)
②制御有り(1分)
②①
④
③プレートを付ける
④回転周波数調節(9分)
⑤制御有り(20秒程)
③
⑥制御無し(40秒程)
吸気制限を行った場合，モータ回転周波数を同一に保っ
ても騒音制御性能が劣化した
開ループ制御(吸気制限)
騒音制御性能が劣化した原因
NZ音が変化し，最適なゲインと位相も変化し
たことが考えられる
NZ音の変化に対応するために，騒音を
フィードバックする閉ループ制御系が必要
適応制御実験装置
騒音
制御音
プリ
アンプ
パワー
アンプ
コントローラ
(dsPIC)
D/A
スピーカ駆動信号
モータ回転信号
A/D
PC2
PC1
騒音をフィードバックし，それが小さくなるようにモータ回転信号を用
いてスピーカ駆動信号をコントローラが自動的に生成
適応制御実験結果
モータ回転周波数562[Hz]
50%低減
NZ1・2次音を低減することができた
耳や騒音計(消音ダクト出口)で低減効果が確認できなかった原因
→マイクの位置では騒音を低減できているが，ダクト断面全体で均一
に低減できていない
ダクトを伝播する音波が平面波とみなせる条件
D ≪ / 2
≪約80/2=40 [mm]
D：ダクトの直径
λ：音の波長
ダクトの直径はφ150[mm]→平面波とみなすことができない
制御音または騒音あるいはその両方の音圧振幅が断面内
で分布を持つ可能性がある
315～5000[Hz] の周波数帯域では，ダクト直径の増加と共に制
御効果が減少する
[Jeremy M. Slagley et al., 2007]
ダクト断面の騒音・制御音の音圧分布測定
実験装置
ダクト断面のあらゆる角度
で測定可能
制御音の音圧分布
MAX
NZ1次音と同じ
4.45[kHz]の音を
スピーカから出
力
断面内の円周上
の音圧を半径方
向にプロット
MIN
ダクト断面において最大点(337.5[deg])/最小点(135[deg])
で2.6 倍の差がある
NZ1次音の音圧分布
MAX
MIN
ダクト断面において最大点(337.5[deg])/最小点(67.5[deg])
で1.6倍の差がある
結言
①開ループ制御
•吸気制限を行った際のNZ音の変化に対応するために，騒
音をフィードバックする閉ループ制御が必要であることを示し
た．
②適応制御
•マイクの位置において，NZ1・2次音を低減することができた.
③ダクト断面の騒音・制御音分布測定
•両者に1.6～2.6倍の差が生じていることが分かった．
•ダクト直径φ150[mm]では，ダクト断面内で一様な騒音低減
効果を得ることは困難であることが分かった．
今後の課題としては，ダクト断面の圧力分布を一様にするた
めに，ダクトの直径をφ40[mm]未満に絞ることが挙げられる．
付録
開ループ制御(吸気制限)
制御性能劣化の原因調査
全ﾌﾟﾚｰﾄ（6枚）
回転数を同一にしてもNZ1次音のPSD値が変化
する→最初に設定したゲインと位相では制御が
困難になる
NZ1次音とモータ温度の関係を調査
プレートの穴径が小さくなるほどモータ温度が高くなる
コントローラ→Microchip dsPIC30F2012
主な仕様
データ処理単位
16ビット
最高スピード
30[MIPS]
最大プログラムメモリ
12[KB]
A/Dコンバータ
12ビット
200[ksps]×10[ch]
タイマ
3[ch]
端子数
28ピン
開発言語
C言語
本研究のサンプリング時間25[μsec]
→サンプリング周波数40[kHz]
→ナイキスト周波数20[kHz]
翼通過周波数騒音のような高
周波数帯域の騒音低減を行う
には，制御系のサンプリング周
波数を高くする必要がある．
そのため，短いサンプリング時
間内で演算を完了せねばならず，
それだけ演算速度の速いDSP
が必要になる．
翼通過周波数騒音
4.5[kHz]，9[kHz]，13.5[kHz]
→3 次までの翼通過周波数騒
音に対応できる
適応制御 Filtered-x LMSアルゴリズム
P
1次経路
S
2次経路
Ŝ
①騒音源信号をリファレンスマイクの出力とするのではなく，
モータの回転信号r(n)とする．
②モータの回転周波数の8倍，16倍の騒音低減を行うため
に，デューティー比25％でモータ回転周波数の8倍の周波
数を持つ信号x(n)を非線形演算部Fによって生成し，これを
適応フィルタ(FIRフィルタ)の入力とする．
③周期騒音の低減が目的のため，2次経路Sを推定したフィ
ルタ Ŝ は省略する．
2次経路推定フィルタ
F
参照信号生成部
n
時刻
r(n)
モータ回転信号
x(n)
参照信号
y(n)
スピーカ駆動信号
y’(n)
制御音
d(n)
モータの騒音
e(n)
エラーマイクの信号
M 1
y (n)   hm (n) x(n  m)　m 0
hm (n  1)  hm (n)  x(n  m)e(n)
P
1次経路
S
2次経路
Ŝ
2次経路推定フィルタ
F
参照信号生成部
n
時刻
r(n)
モータ回転信号
x(n)
参照信号
y(n)
スピーカ駆動信号
y’(n)
制御音
d(n)
モータの騒音
e(n)
エラーマイクの信号
hm(x)
フィルタ係数
μ
適応係数(0.000488)
M
フィルタのタップ数(32)
(m  0,1,, M  1)
e(n)  d (n)  y(n)
適応制御実験結果
モータ回転周波数420[Hz]
制御off:70.6[dB(A)]，制御on:71.4[dB(A)]
制御onが0.8[dB(A)]高い結果になった
耳や騒音計(消音ダクト出口)で低減効果が確認できなかった原因
マイクの位置では騒音を低減できているが，ダクト断面全
体で均一に低減できていない
断面内の円周上
の音圧を半径方
向にプロット
平面波として伝播する場合
音圧振幅に分布を持つ場合
マイク
音
ダクト断面
ダクト断面の騒音・制御音の音圧分布測定
NZ1次音と同じ4.45[kHz]の音をスピーカから出力
ダクト断面まわりの22.5°
ごとに9[s]ずつ測定
→9[s]で3個のデータが得
られる
→この平均を音圧分布の
図にまとめる
0°のときの制御音
制御音の音圧分布測定が22.5°,9[s]ずつなのに対し，
翼通過周波数騒音の音圧分布測定は45°,72[s]ずつ行っている
時間
翼通過周波数騒音の音圧分布測定→実験時間が40分と長時間と
なり，モータが故障した
そのため，9[s]ずつにし実験時間を10分に短縮
角度
翼通過周波数騒音の音圧分布測定→45°ずつでは粗いと思われ
るので，22.5°に変更

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