JP2003090757A - 調波構造信号解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 調波構造信号の解析を簡単な構成で行い得る
ようにして、リアルタイムでの解析を実現する。 【解決手段】 被解析信号を取り込む入力手段４と、被
解析信号の元となる振動源１２の基準信号を検出する基
準信号検出手段５と、基準信号の周波数を測定するとと
もに、被解析信号から基準信号の周波数の整数倍の周波
数の次数成分を抽出する手段２とを具備する構成とす
る。振動源１２の基準信号の周波数の整数倍の周波数の
次数成分だけを抽出すればよいから、次数成分の抽出
に、カルマンフィルタやバンドパスフィルタ等のリアル
タイム処理に適した手段を採用することができ、構成簡
単にリアルタイムでの解析を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は調波構造信号解析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】音の官能評価や音色設計といったサウン
ドエンジニアリングの分野は、音楽の制作現場や音響機
器の開発だけではなく、自動車の室内における音環境の
解析等、広く注目されるようになってきている。サウン
ドエンジニアリングの分野において、音色や振動の解析
に用いられる技術としてはＦＦＴ解析があり、振動成分
の解析が高精度に可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＦＦＴ
解析は、収集した多量の録音データを詳細に比較、分析
するには適しているが、音楽の制作現場のように試聴と
音の修正とを何度も繰り返す場合や、実車を走行させな
がら車内音の振動成分をモニタしていく必要がある場合
等には、徒に大規模化し、必ずしも適していない。

【０００４】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
簡単な構成で、音等の振動を取り込みながらリアルタイ
ムで振動成分の解析が可能な調波構造信号解析装置を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、調波構造信号解析装置を、被解析信号を取り込む入
力手段と、被解析信号の元となる振動源の基準信号を検
出する基準信号検出手段と、基準信号の周波数を測定す
る周波数測定手段と、被解析信号から、周波数測定手段
により測定された周波数の整数倍の周波数で基準信号に
同期した次数成分を抽出する次数成分抽出手段とを具備
する構成とする。

【０００６】測定された基準信号の周波数を一次の周波
数として、被解析信号から各次数の成分が抽出される。
振動源の基準信号の周波数の整数倍の周波数の信号を抽
出すればよいから、ＦＦＴ解析に比して負荷が少ない。
そして、基準信号の周波数に経時変化が生じればこれに
追随して変化後の周波数の整数倍の周波数の信号が抽出
される。したがって、リアルタイムで被解析信号の解析
が可能となる。

【０００７】前記次数成分抽出手段は、請求項２記載の
発明のように、各次数成分の振動の方程式に基づいて状
態方程式が記述されて、前記次数成分の推定値を出力す
るカルマンフィルタを具備する構成としたり、請求項３
記載の発明のように、前記次数成分を選択的に出力する
バンドパスフィルタを具備する構成とすることができ
る。

【０００８】請求項４記載の発明では、請求項１ないし
３の発明の構成において、抽出された各次数成分のゲイ
ンを調整するゲイン調整手段と、前記被解析信号から次
数成分を減じた残差成分とゲイン調整後の次数成分とを
合成し合成信号を出力する合成手段とを具備せしめる。

【０００９】各次数成分のゲインを変えて再合成したも
のがリアルタイムで得られるので、音作り等に好適であ
る。

【００１０】請求項５記載の発明では、請求項４の発明
の構成において、前記合成信号を音に変換する音変換手
段を具備せしめる。

【００１１】被解析信号が音の場合に、ゲインが調整さ
れて再合成した後の音をリアルタイムで官能評価に供す
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面にしたがい、本発明の
調波構造信号解析装置について説明する。図１は調波構
造信号解析装置の全体構成を示すもので、車内音の解析
用に適用したものである。調波構造信号解析装置１１は
パーソナルコンピュータ２、その拡張ボックス３を中心
に構成されている。

【００１３】車内の座席には入力手段であるダミーヘッ
ドマイクロフォン４が設置されている。ダミーヘッドマ
イクロフォン４は、乗員を模した人形の左右の耳内にマ
イクロフォンが埋め込まれたもので、車内の音環境下で
乗員が実際に聴く被解析信号である音信号を取り込むこ
とができる。

【００１４】振動源であるエンジン１２にはクランクシ
ャフトの回転を検出する基準信号検出手段である回転数
センサ５が設けてある。回転数センサ５としては、例え
ばクランクシャフトの軸端に円板を接続しておき、その
周縁部に形成された凹凸を検出する電磁ピックアップに
より構成したものが用いられ得る。回転数センサ５は、
クランクシャフトの回転（以下、適宜、エンジン回転と
いう）に同期した基準信号である回転パルス信号を、例
えばクランクシャフト１回転に１回、出力する。

【００１５】これら、ダミーヘッドマイクロフォン４か
らの音信号および回転数センサ５からの回転パルス信号
は拡張ボックス３に入力せしめてある。

【００１６】拡張ボックス３は、後述する再合成信号を
ヘッドフォン用のアンプ６に出力するようになってお
り、音変換手段であるヘッドフォン７で聴くことが可能
である。

【００１７】図２は拡張ボックス３に入力する音信号お
よび回転パルス信号が処理されていく過程を示すもの
で、各処理機能は、パーソナルコンピュータ２および拡
張ボックス３で構成される。パーソナルコンピュータ２
で実行される処理機能は、プログラム上で実現される。

【００１８】ダミーヘッドマイクロフォン４で取り込ま
れる左側、右側の音信号は、拡張ボックス３内のローパ
スフィルタ３１Ｌ，３１Ｒで所定のカットオフ周波数以
上の周波数の成分を除去するようになっており、エリア
ジングを防止している。ローパスフィルタ３１Ｌ，３１
Ｒを通過した音信号はＡ／Ｄ変換器によりデジタルデー
タ化され、パーソナルコンピュータ２のＡ／Ｄポート２
１を介して左右別々に、次数成分抽出手段であるカルマ
ンフィルタ２４Ｌ，２４Ｒに入力せしめてある。

【００１９】一方、回転パルス信号は波形整形後、パー
ソナルコンピュータ２のデジタルＩ／Ｏポート２２を介
して周波数測定手段であるＦＶコンバータ２３に入力す
る。ＦＶコンバータ２３は、相前後して入力する回転パ
ルス信号間の時間Ｔを計測し、この時間Ｔの逆数で表さ
れる回転パルス信号の周波数に２πを乗じて角振動数ω
を得る。角振動数ωはカルマンフィルタ２４Ｌ，２４Ｒ
に入力せしめてある。

【００２０】カルマンフィルタ２４Ｌ，２４Ｒは、回転
パルス信号の角振動数ωの振動成分を１次成分として、
音信号から６次までの次数成分とその残差成分とを抽出
する。前記次数成分を状態値Ｘi （ｉ＝１〜６）とする
と、各次数成分は振動の方程式（１）に従い、解析しよ
うとする系の状態を記述する状態方程式を式（２）と表
せる。式（３）は推定値Ｙi （ｉ＝１〜７）の出力方程
式である。Ｙ1 〜Ｙ6は音信号の次数成分Ｘi であり、
Ｙ7 は取り込まれた音信号から各次数成分を除いた残差
成分である。また、式中、ｕは取り込んだ音信号の強度
の瞬時値であり、Ａは振動の振幅、ｔは時間である。

【００２１】

【数１】

【００２２】

【数２】

【００２３】カルマンフィルタ２４Ｌ，２４Ｒでは式
（２）、（３）を時間について離散化、例えば前記Ａ／
Ｄ変換器のサンプリング周期で離散化したものについて
演算が実行され、推定値Ｙi が、前記サンプリング周期
で逐次、カルマンフィルタ２４Ｌ，２４Ｒから出力され
る。なお、サンプリング周波数が、エンジンの回転数か
ら把握される次数成分の周波数範囲よりも十分に高く設
定されるのは勿論である。

【００２４】左側音信号および右側音信号の、これら各
次数成分および残差成分は、ゲイン調整手段であるイコ
ライザ２５Ｌ，２５Ｒに入力する。イコライザ２５Ｌ，
２５Ｒでは各次数成分のゲインを調整し、次数成分が、
各次数成分ごとに加減される。各次数成分のゲインは、
パーソナルコンピュータ２の液晶ディスプレイ２０１の
画面上で設定可能としてある。例えば、ゲインコントロ
ールスライダを模した画面を表示させて使用者のマウス
操作でゲインを入力する。

【００２５】ゲイン調整された各次数成分と残差成分と
は、合成手段である加算器２６Ｌ，２６Ｒに入力し、加
算器２６Ｌ，２６Ｒで再合成される。合成信号は、Ｄ／
Ａポート２７を介して拡張ボックス３内のＤ／Ａ変換器
にて所定の階調のアナログ信号に変換される。

【００２６】パーソナルコンピュータ２の前記各機能の
プログラムは、上述のごとくＡ／Ｄ変換のサンプリング
間隔の間に合成信号を出力し得るように、リアルタイム
ＯＳ上で構築される。なお、使用者によるゲイン調整等
のイベント発生があってもクリック音等を誘因する合成
信号出力の途切れが生じないように、入出力処理の優先
度を最大としてある。

【００２７】アナログ化された合成信号は拡張ボックス
３のローパスフィルタ３２Ｌ，３２Ｒに入力する。ロー
パスフィルタ３２Ｌ，３２Ｒはカットオフ周波数が例え
ばＡ／Ｄ変換のサンプリング周波数の１／２のものが用
いられ、合成信号から、Ｄ／Ａ変換における分解能に応
じて生じる高周波数成分が除去される。ローパスフィル
タ３２Ｌ，３２Ｒを通過した合成信号はアンプ６に入力
する。

【００２８】アンプ６はヘッドフォン７に接続されてお
り、前記合成信号をヘッドフォン７で試聴することがで
きる。

【００２９】車内音は主にエンジン１２が振動源となっ
て、エンジン１２自身やこれから振動が伝わるボディ等
から発生する。例えば、基準信号である前記回転パルス
信号がクランクシャフト１回転で１つのパルスを出力す
るものであれば、各気筒ではクランクシャフト２回転で
１回の爆発が生じるから気筒数に応じて２次や３次に大
きなピークをもつ。エンジン回転を１次とする次数成分
を抽出することで、音の中から容易にエンジン１２に基
因した次数成分の抽出が可能となる。さらに、リアルタ
イムでゲイン調整された合成信号を、音信号が所定のサ
ンプリング周期でサンプリングされるごとに再現するこ
とが容易となる。

【００３０】しかも、残差成分も含めて合成しているの
で、車外の騒音のようにエンジン回転に同期しない突発
性の音もそのまま合成信号に含まれ、臨場感のある合成
音となる。

【００３１】なお、本実施形態では、カルマンフィルタ
を用いているが、次数成分の周波数の信号を選択的に出
力せしめる複数組のバンドパスフィルタにより構成して
もよい。この場合、回転パルス信号の角振動数ωが高く
なるに応じて音信号を所定の補間等の演算によりリサン
プリングして所期のフィルタ特性が得られるようにす
る。

【００３２】また、試聴はヘッドフォンで行っている
が、ダミーヘッドマイクロフォンによる音の取り込みに
影響を与えない状態、例えば、車外で合成信号の音を聴
き得るのであれば、スピーカで聴いてもよいのは勿論で
ある。

【００３３】また、ゲインの調整は使用者の操作で設定
するのではなく、エンジン回転数にゲインを対応させる
ルックアップテーブルを予め記憶しておき、これに基づ
いてゲインを調整するのでもよい。この場合、ルックア
ップテーブルを使用者が自由に設定するプログラムを用
意しておくことで、さらに汎用性の高い装置とすること
ができる。

【００３４】また、ゲインが調整された後の再合成した
音を試聴する必要がなければ、単に抽出された次数成分
の大きさを表示または記録するのみでもよい。

【００３５】また、パーソナルコンピュータの処理能力
等によってはさらに高次の次数成分まで抽出するように
してもよいし、逆に抽出するのを５次以下の次数成分に
限ってもよい。

【００３６】また、パーソナルコンピュータを中心とし
て構成しているが、パーソナルコンピュータが果たして
いる機能の一部若しくは全部を、専用の回路により構成
してもよい。

【００３７】また、本実施形態は車内音の解析用に適用
したものを示したが、例えば振動についての解析にも適
用することができ、この場合は、ダミーヘッドマイクロ
フォンに代えて振動センサをシート等に取り付けること
になる。また、自動車の分野に限らず、本発明の趣旨に
反しない限り他の用途にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の調波構造信号解析装置の構成図であ
る。

【図２】前記調波構造信号解析装置の信号処理機能を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１１ 調波構造信号解析装置 １２ エンジン（振動源） ２ パーソナルコンピュータ ２４Ｌ，２４Ｒ カルマンフィルタ（次数成分抽出手
段） ２５Ｌ，２５Ｒ イコライザ（ゲイン調整手段） ２６Ｌ，２６Ｒ 加算部（合成手段） ３ 拡張ボックス ４ ダミーヘッドマイクロフォン（入力手段） ５ 回転数センサ（基準信号検出手段） ６ アンプ ７ ヘッドフォン（音変換手段）

フロントページの続き (72)発明者 北川 福郎 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 中川 博之 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 珠玖 達良 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G064 AA14 AB01 AB02 AB15 BA21 BD02 CC04 CC06 CC13 CC29 CC41 DD25

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被解析信号を取り込む入力手段と、 被解析信号の元となる振動源の基準信号を検出する基準
   信号検出手段と、 基準信号の周波数を測定する周波数測定手段と、 被解析信号から、周波数測定手段により測定された周波
   数の整数倍の周波数で基準信号に同期した次数成分を抽
   出する次数成分抽出手段とを具備することを特徴とする
   調波構造信号解析装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の調波構造信号解析装置に
   おいて、前記次数成分抽出手段には、各次数成分の振動
   の方程式に基づいて状態方程式が記述されて、前記次数
   成分の推定値を出力するカルマンフィルタを具備せしめ
   た調波構造信号解析装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の調波構造信号解析装置に
   おいて、前記次数成分抽出手段には、前記次数成分を選
   択的に出力するバンドパスフィルタを具備せしめた調波
   構造信号解析装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の調波構
   造信号解析装置において、抽出された各次数成分のゲイ
   ンを調整するゲイン調整手段と、 前記被解析信号から次数成分を減じた残差成分とゲイン
   調整後の次数成分とを合成し合成信号を出力する合成手
   段とを具備せしめたことを特徴とする調波構造信号解析
   装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の調波構造信号解析装置に
   おいて、前記合成信号を音に変換する音変換手段を具備
   せしめたことを特徴とする調波構造信号解析装置。