アクティブノイズキャンセル
アクティブノイズキャンセルは、不要な騒音に対して同振幅・逆位相の音（アンチノイズ）を能動的に生成し、空間的な干渉により音圧を低減する能動制御技術である。受動的な吸音材や遮音板に比べ、低周波域で小型・軽量に高い減衰を得やすい特長をもつ。ヘッドホン、車室、ダクト、機械囲い、発電機室などで適用され、近年はエッジAIや低遅延DSPの普及により組込み実装が一般化している。
定義と目的
アクティブノイズキャンセル（ANC）の目的は、ターゲット位置における実効音圧レベルを所望帯域で最小化することである。制御対象は空気音が中心であるが、同じ原理は構造伝搬音や配管内音にも拡張できる。小型化、質量低減、省エネ、音質改善（うなり・こもりの低減）といった設計要求に応える手段として選択される。
動作原理（干渉と適応制御）
アクティブノイズキャンセルは、誤差マイク位置での音圧を評価関数とし、スピーカ駆動信号を最適化する。参照センサから得た予兆信号を用いる場合は予測的に、誤差のみを用いる場合は反応的に制御する。伝達関数の時間遅延と位相回転を考慮し、因果的にアンチノイズを合成することが要である。
フィードフォワードANC
上流に設置した加速度計やマイクから外乱の参照信号を取得し、適応フィルタ（例：LMS、FxLMS）でスピーカ出力を生成する。予測時間が稼げるため低周波・定常音に強いが、参照センサ配置と相関確保が設計の肝となる。
フィードバックANC
誤差マイクの信号だけを用いてループを閉じる方式である。構成が簡潔で局所制御に向く一方、位相余裕とゲイン余裕の確保が難しく、安定化のためのフィルタ設計や遅延低減が重要となる。
ハイブリッドANC
フィードフォワードとフィードバックを組み合わせ、予測性とロバスト性の両立を狙う。広帯域化や使用環境の変動に強い構成として採用例が多い。
要素技術（センサ・アクチュエータ・アルゴリズム）
アクティブノイズキャンセルの要素は、参照センサ、誤差マイク、アクチュエータ（スピーカ）、およびDSPである。各素子の配置と指向性、周波数応答、自己雑音、ダイナミックレンジが性能上限を決める。
参照・誤差センサ
参照は外乱とのコヒーレンス確保が第一で、誤差は評価点（耳元、作業者位置、ダクト断面中心など）に忠実であることが重要である。風雑音や乱流の影響を避けるためのウインドスクリーンやフラッシュマウントも有効である。
アクチュエータ
密閉型小型スピーカが一般的で、低歪・広ストローク・低遅延駆動が望まれる。ダクトや配管ではフラッシュマウントのモノポール放射が効果的で、車体や筐体では振動源に近接配置してカップリングを高める。
アルゴリズム
代表はFxLMSで、二次経路をモデル化しつつ誤差最小化を行う。収束係数は入力パワーで正規化し、過大な更新で発散しないようクリッピングやリークを併用する。トーン成分には可変ノッチや周波数領域適応（FDAF）が有効である。
設計・実装の勘所
- 遅延と因果性：D/A・A/D、フィルタ、伝搬の総遅延が位相余裕を圧迫する。サンプリング周波数の引き上げや軽量フィルタで低減する。
- 二次経路同定：整定中の擬似雑音でオンライン同定し、モデルズレを抑える。
- 非線形と飽和：大振幅時のスピーカ非線形や通風による乱流でモデル誤差が増す。リミッタ、歪補償、帯域制限で対処する。
- 空間エイリアシング：単一点の最適化は他点で悪化しうる。多点誤差センサやアレイ最適化で空間的頑健性を確保する。
性能評価指標
性能は減衰量（例：1/3octで−10〜−30 dB）、達成帯域、収束時間、安定余裕、SN比、電力消費、環境変動（温度・姿勢・装着差）に対するロバスト性で評価する。副次評価として音質指標（トーン抑制、うなり低減）や聴感補正を用いる。
用途例
- ヘッドホン・イヤホン：密閉空間を活かし低周波を効率的に抑制する。通話時はフィードスルーやトランスペアレントモードを併設する。
- 車室内：エンジンオーダやロードノイズを対象に、車速信号と同期した参照で効率化する。
- 空調ダクト：送風機のトーンと低周波帯を、断面中心付近にスピーカ・マイクを配置して制御する。
- 機械囲い・発電設備：定在波を避ける配置と帯域選択でエネルギ効率を高める。
限界とリスク
アクティブノイズキャンセルは広帯域の無相関乱流音や高周波散乱音には効きにくい。遅延が大きい系、強い多重反射、非線形支配の音場では効果が限定される。また、制御失敗時の不快音やハウリングを避けるため、フェイルセーフ（ゲイン低減、ミュート、温度・電流監視）が必須である。
実装手順の例
- 対象音場の調査：スペクトル、コヒーレンス、音源寄与を可視化し、制御帯域と評価点を決める。
- ハード構成：センサ・スピーカ・DSPの選定と配置、筐体・音響ダクトの機械設計を行う。
- 二次経路同定：オフライン/オンラインでモデル化し、FxLMSの前提を整える。
- 適応制御設計：収束係数、正規化、リーク、ノッチ等を設計し、固定子フィルタと協調させる。
- 検証：多点測定と運用シナリオ（姿勢・温度・劣化）でロバスト性を確認する。
関連技術との関係
アクティブノイズキャンセルは受動の吸音・遮音・防振を置き換えるものではなく、低周波は能動、高周波は受動という帯域分担でハイブリッド化するのが実務的である。騒音源側の回転バランス、ギヤメッシュ、共鳴対策と併用すれば、根本的な放射音の低減と知覚品質の向上を両立できる。