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 亜弓 ( 長岡技科大 ) 川﨑 健史 ( 長岡技科大 ) 小林 泰秀 ( 長岡技科大 ) 根本 伸治 ( 山本電気 ( 株 )) 0807

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×Z×i=4.5[kHz], 9[kHz],13.5[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 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… 3[kHz] 1次1次 2次2次 3次3次

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 ( ， 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

能動騒音制御を用いて， NZ 音を低減するこ と 本研究の目的 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 PC １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 L=1000 l 1 =660 D=φ150 プリ アンプ A/D PC1 PC2 位相 コントロー ラ (dsPIC) D/A パワー アンプ ゲイン 騒音 モータ回転信号 スピーカ駆動信号 制御音 掃除機の ホース 消音ダク ト

開ループ制御 Control offControl on モータ回転周波数 554[Hz]( このときのモータ最高回転数 ) NZ1 次音を低減することができ た 約 70% 低減

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 ホース吸引口 φ40[mm] プレート φ22.5[mm]

開ループ制御 ( 吸気制限 ) 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 NZ1 次音の 3 次元表示 ① 制御無し (1 分 ) ② 制御有り (1 分 ) 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 ) ⑥ 制御無し (40 秒程 ) モータ回転周波数が 落ち着くまで待つ (10 分 程 ) ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

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 プリ アンプ A/D PC1 PC2 コントロー ラ (dsPIC) D/A パワー アンプ 騒音 モータ回転信号 スピーカ駆動信号 制御音

適応制御実験結果 モータ回転周波数 562[Hz] NZ1 ・ 2 次音を低減することができ た 50% 低減

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 ：ダクトの直径 λ ：音の波長 ≪約 80/2=40 [mm] 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 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 MAX MIN 断面内の円周上 の音圧を半径方 向にプロット NZ1 次音と同じ 4.45[kHz] の音を スピーカから 出力

NZ1 次音の音圧分布 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 MAX MIN

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

制御性能劣化の原因調査 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 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 開ループ制御 ( 吸気制限 ) NZ1 次音とモータ温度の関係を調査 全ﾌﾟﾚｰﾄ（ 6 枚）

コントローラ →Microchip dsPIC30F2012 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 主な仕様 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 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 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 は省略する．

P 1 次経路 S 2 次経路 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 ( ) M フィルタのタップ数 (32)

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 マイ ク ダクト断 面 音 平面波として伝播する場合 音圧振幅に分布を持つ場合 断面内の円周上 の音圧を半径方 向にプロット

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 0° のときの制御音 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

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 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 時間 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 角度