JP2004093438A

JP2004093438A - エンジンの吸気音解析

Info

Publication number: JP2004093438A
Application number: JP2002256556A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takei; 武井　雅行
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】エンジンの吸気音を解析的に容易に求めることのできる技術を提供する。
【解決手段】まず、エンジンシミュレータ１０２が、エンジンが一定の回転数で回転している際の吸気の体積速度の時間変化を、複数の回転数に関してそれぞれ算出する。周波数解析部１０４は、吸気の体積速度の時間変化を周波数解析することによって、吸気弁の動作周波数の整数倍の所定の複数の周波数の成分の振幅と位相とを各回転数毎に自動的に算出する。吸気音色解析部１０６は、吸気系配管の内部を境界要素法を用いてモデル化するとともに、周波数解析部から各回転数における複数の周波数成分の振幅と位相とを受け取って、複数の周波数成分の振幅と位相とを吸気弁における吸気への加振条件として与える。こうして、各回転数における前記吸気口での吸気音をそれぞれ解析して合成し、これによって、複数の回転数における吸気音を表す吸気音データを求める。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの吸気音を解析する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの吸気音は、吸気系配管の入口である吸気口（空気取り入れ口）における音である。従来から、この吸気音を低減したり、心地よい音色にしたりする工夫が行われている。また、種々の機械音を実際のモデルで発生させる代わりに、解析によって機械音の音色を調べる技術も提案されている。例えば、特許文献１（特開２００１−９９７０３号公報）では、原動機器の表面振動をもとにして、任意の点の音圧スペクトルを求め、これを逆フーリエ変換して得られた音をスピーカによって再生する技術が開示されている。また、特許文献２（特開平４−１７８６９８号公報）では、エンジンの回転次数成分を用いて排気音を解析的に求める技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−９９７０３号公報（要約）
【特許文献２】特開平４−１７８６９８号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来は、エンジンの吸気音を解析的に求めるのが必ずしも容易では無いという問題があった。その１つの理由は、エンジンの吸気音はエンジン回転数に応じて大きく異なるため、解析に用いるパラメータが膨大になり、その取り扱いが煩雑になるからである。そこで、従来から、エンジンの吸気音を容易に解析的に求めることのできる技術が望まれていた。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、エンジンの吸気音を解析的に容易に求めることのできる技術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およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明による装置は、エンジンの吸気音を解析する装置であって、
エンジンが一定の回転数で回転している際の吸気弁位置における吸気の体積速度の時間変化を、複数の回転数に関してそれぞれ格納する記憶部と、
各回転数における前記吸気の体積速度の時間変化を周波数解析することによって、前記吸気弁の動作周波数の整数倍の周波数を含む所定の複数の周波数の成分の振幅と位相とを各回転数毎に自動的に算出する周波数解析部と、
吸気口から吸気弁までを含む吸気系配管の内部を境界要素法を用いてモデル化するとともに、前記周波数解析部から各回転数における前記複数の周波数成分の振幅と位相とを受け取って、前記複数の周波数成分の振幅と位相とを前記吸気弁における吸気への加振条件として与えることによって、各回転数における前記吸気口での吸気音をそれぞれ解析して合成し、これによって、前記複数の回転数における吸気音を表す吸気音データを求める吸気音色解析部と、
を備える。
【０００６】
この装置では、まず、周波数解析部が、複数のエンジン回転数での吸気弁位置における吸気の体積速度の時間変化を周波数解析して、各エンジン回転数における吸気の体積速度の所定の複数の周波数成分の振幅と位相とを自動的に算出するので、複数のエンジン回転数における吸気の体積速度の周波数成分を容易に準備することができる。吸気音色解析部は、このようにして得られた吸気弁位置における吸気の体積速度の周波数成分を、吸気口における加振条件として用いて吸気口における吸気音を解析して合成するので、各回転数における吸気音を容易に算出することが可能である。
【０００７】
上記吸気音色解析装置は、さらに、前記吸気音データを表示部に表示させるとともに、表示された吸気音データをユーザに修正することを許容する音色修正部を備えるようにしてもよい。
【０００８】
この構成によれば、ユーザの要求に応じて吸気音の音色を変更することが可能である。
【０００９】
上記吸気音色解析装置は、さらに、前記吸気音データに基づいて前記吸気音を再生する吸気音再生部を備えるようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、解析的に求めた吸気音を実際に視聴することができる。
【００１１】
また、上記吸気音色解析装置は、さらに、前記吸気口における吸気音データに基づいて、前記エンジンを搭載した車両の所定の位置における音を解析する車両位置音色解析部を備えるようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、所望の位置において吸気音を含む音がどのように聞こえるかを解析的に求めることが可能である。
【００１３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、音色解析装置または方法、その装置または方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例としての吸気音色解析装置１００の構成を示している。この装置１００は、エンジンシミュレータ１０２と、周波数解析部１０４と、吸気音色解析部１０６と、音色修正部１０８と、出力制御部１１０と、車両位置音色解析部１１２とを備えている。吸気音色解析装置１００としては、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータを用いることができる。上述した各部１０２〜１１２の機能は、ハードディスク装置１３０に格納されたコンピュータプログラムによって実現することができる。
【００１５】
図２は、実施例の処理内容を示す説明図である。吸気音を解析する際には、まず、エンジンシミュレータ１０２が、複数のエンジン回転数において、吸気弁位置での吸気の体積速度を計算する（ステップＳ１）。
【００１６】
図３は、エンジンシミュレータ１０２で利用されるエンジンモデル２００の一例を示している。このエンジンモデル２００は、エンジンの吸気系配管２０２と、燃焼室２０４と、排気系配管２０６とを含んでいる。エンジンシミュレータ１０２は、ユーザによって予め指定された複数のエンジン回転数のそれぞれにおいてエンジンの動作のシミュレーションを行い、吸気弁２１０の位置における吸気の体積速度の時間変化を計算する。
【００１７】
図４は、エンジンシミュレーションで得られた吸気の体積速度の一例を示している。この例では、１２００ｒｐｍから６０００ｒｐｍまでの７つのエンジン回転数に関して、吸気弁位置での吸気の体積速度の変化が示されている。図４の横軸はクランク角度であるが、エンジン回転数が決まるとクランク角度と時間とが一対一に対応付けられるので、図４は実質的には体積速度の時間変化を表している。この体積速度の変化は、ハードディスク装置１３０に格納される。なお、吸気弁位置での吸気の体積速度の時間変化を解析的に求める代わりに、実際のモデルを用いて実験的に求めても良い。
【００１８】
周波数解析部１０４（図１）は、各回転数に関する吸気の体積速度の時間変化をハードディスク装置１３０から取り込み、その周波数解析を行って、主要な複数の周波数成分の振幅と位相とを計算する。ここで、周波数解析の対象となる複数の周波数としては、各燃焼室の吸気弁の開閉動作の周波数ｆの整数倍の値ｎ・ｆ（ｎは１以上の整数）を採用することが好ましい。この理由は、吸気の流れは吸気弁の開閉動作と同じ周期で変動するので、吸気弁の動作周波数ｆの整数倍の音が、吸気音として最も大きくなると考えられるからである。例えば、４サイクルエンジンでは２回転に１回の割合で吸気弁が開閉するので、エンジン回転数が６０００ｒｐｍのときの吸気弁の開閉動作の周波数ｆは５０Ｈｚである。従って、吸気音の解析の対象とする周波数としては、この周波数ｆ（＝５０Ｈｚ）の１倍〜Ｎ倍（Ｎは２以上の所定の整数）の周波数ｎ・ｆ（ｎ＝１〜Ｎ）が採用される。なお、４サイクルエンジンの場合における吸気弁の開閉動作の１次周波数ｆは、エンジンの回転数の１／２の周波数（０．５次の周波数）に相当する。従って、４サイクルエンジンの吸気音の解析の対象とする周波数は、エンジン回転数の１／２の周波数の整数倍の値に設定するものと考えることも可能である。
【００１９】
なお、吸気の体積速度の周波数解析の対象とする周波数としては、吸気弁の動作周波数の１倍〜Ｎ倍の周波数以外の周波数を設定してもよい。但し、周波数解析の対象とする周波数としては、吸気弁の動作周波数の整数倍の周波数を含む周波数を用いることが好ましい。
【００２０】
周波数解析部１０４は、各エンジン回転数における吸気の体積速度変化に関して、主要な複数の周波数成分の振幅と位相とをそれぞれ算出する（図２のステップＳ２）。この周波数解析としては、例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いることができる。本実施例では、周波数解析に用いる主要な複数の周波数の値ｎ・ｆ（ｎ＝１〜Ｎ）とその個数Ｎは、エンジン回転数に応じて予め決まっている。従って、周波数解析部１０４は、吸気の体積速度変化を受け取ると、複数の周波数ｎ・ｆ（ｎ＝１〜Ｎ）に関して自動的に解析を実行し、その結果を出力することができる。
【００２１】
吸気音色解析部１０６（図１）は、吸気系配管の内部をモデル化した吸気系モデルを用いて吸気音を解析的に算出する（図２のステップＳ３）。図５は、吸気系配管の内部をモデル化した吸気系モデル３００を拡大して示している。この吸気系モデル３００は、吸気口３０２から吸気弁入口３０４に至る吸気系配管の内部空間をモデル化したものであり、エアクリーナ３１０と、サージタンク３１２と、吸気マニホールド３１４とを含んでいる。吸気系配管の内面は、境界要素法に従って分割されている。モデル化に際して有限要素法では無く境界要素法を使用する理由は、吸気口３０２が外部に開放されているからである。すなわち、有限要素法では開放端である吸気口での境界条件を設定するのが難しいのに対して、境界要素法では吸気口の外を無限領域として取り扱えば良いからである。
【００２２】
吸気音の解析の際には、周波数解析部１０４によって算出された複数の周波数成分の振幅と位相とが、吸気弁入口３０４における吸気への加振条件として利用される。前述したように、１つのエンジン回転数に関してそれぞれ複数の周波数成分の振幅と位相が解析的に得られている。吸気音色解析では、これらの複数の周波数成分の振幅と位相とによって、吸気が吸気弁位置で加振されるものと仮定する。具体的には、１つの周波数成分の振幅と位相とを加振条件として与えると、吸気口３０２における吸気音の周波数応答が得られる。そして、１つのエンジン回転数における複数の加振条件に対してそれぞれ得られた吸気音の周波数応答を合成することによって、そのエンジン回転数における吸気音の周波数応答が得られる。
【００２３】
なお、吸気音色解析部１０６の機能のうち、吸気系モデルを用いて周波数応答を算出する機能は、例えば、ＬＭＳインターナショナル社（ベルギー王国ルーベン市）によって販売されている数値音響解析プログラムであるＳＹＳＮＯＩＳＥを利用することが可能である。但し、本実施例の吸気音色解析部１０６は、まず、周波数解析で得られた複数の周波数成分ｎ・ｆ（ｎ＝１〜Ｎ）の振幅と位相とを１つずつ順次ハードディスク装置１３０から読み出して、各周波数成分ｎ・ｆに関する吸気音の周波数応答を算出する。そして、複数の周波数ｎ・ｆに関する吸気音の周波数応答を合成することによって、最終的な吸気音の周波数応答を求める。このような処理を自動的に実行する機能は、上述したＳＹＳＮＯＩＳＥには備えられていない。こうして得られた吸気音の周波数応答（吸気音データ）は、例えば音色マップとして表示される（図２のステップＳ４）。
【００２４】
図６は、音色マップを拡大して示したものである。音色マップの横軸は、吸気音の周波数、横軸はエンジン回転数であり、グラフ中の四角の大きさが各周波数成分の振幅の大きさを示している。また、図中には、エンジン回転数のｍ次周波数（ｍ〜１〜１０）を示す直線が参考として描かれている。この音色マップは出力制御部１１０によって、表示部１２２に表示することができる。あるいは、この音色マップに基づいて吸気音を合成し、スピーカ１２０で吸気音を再生して視聴することも可能である（図２のステップＳ５）。吸気音色解析部１０６は、さらに、音色マップから、ラウドネスやラフネスなどの音色指標を算出して、出力制御部１１０に表示させることが可能である（図２のステップＳ６）。
【００２５】
ユーザは、このような音色マップや、音色指標、再生された吸気音などに基づいて、吸気音が好ましい音色を有しているか否かを判断することができる。吸気音が好ましく無い音色を有している場合には、ユーザは、音色修正部１０８の助けにより、例えば吸気音色マップを画面上で修正することによって、音色を修正することが可能である。具体的には、特定の次数ｍの音の振幅を低減するように吸気音を修正することができる。画面上の音色マップが修正されると、これに応じて吸気音データの中の周波数成分が修正される。この修正後の吸気音データを用いて、修正後の吸気音をスピーカ１２０によって再生することができ、また、ラウドネスなどの音色指標を計算して表示することが可能である。
【００２６】
車両位置音色解析部１１２（図１）は、こうして得られた吸気口位置での吸気音から、車両の他の位置で聞こえる吸気音を算出する。例えば、車両内の座席における吸気音や、車外の特定の位置における吸気音などを解析することが可能である。車両のモデルとしては、境界要素法に基づくモデルを利用することができる。なお、車両位置音色解析部１１２は、さらに、エンジン本体の振動解析装置の結果を併せて用いて、車両内外の種々の位置における音を総合的に解析できるように構成されていても良い。
【００２７】
以上のように、本実施例では、吸気弁位置における吸気の体積速度の時間変化を周波数解析する際に、エンジン回転数に応じて決まる所定の複数の周波数に関する振幅と位相とを求め、これらを吸気弁位置における加振条件として与えて吸気音の周波数応答を解析するようにしたので、複数のエンジン回転数における吸気音を容易に算出することが可能である。
【００２８】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての吸気音色解析装置１００の構成を示すブロック図。
【図２】実施例の処理内容を示す説明図。
【図３】エンジンモデル２００を示す概念図。
【図４】エンジンのシミュレーションで得られる結果の一例を示すグラフ。
【図５】吸気系配管の内部モデル３００を示す概念図。
【図６】音色マップを示すグラフ。
【符号の説明】
１００…吸気音色解析装置
１０２…エンジンシミュレータ
１０４…周波数解析部
１０６…吸気音色解析部
１０８…音色修正部
１１０…出力制御部
１１２…車両位置音色解析部
１２０…スピーカ
１２２…表示部
１３０…ハードディスク装置
２００…エンジンモデル
２０２…吸気系配管
２０４…燃焼室
２０６…排気系配管
２１０…吸気弁
３００…吸気系モデル
３０２…吸気口
３０４…吸気弁入口
３１０…エアクリーナ
３１２…サージタンク
３１４…吸気マニホールド

Claims

エンジンの吸気音を解析する装置であって、
エンジンが一定の回転数で回転している際の吸気弁位置における吸気の体積速度の時間変化を、複数の回転数に関してそれぞれ格納する記憶部と、
各回転数における前記吸気の体積速度の時間変化を周波数解析することによって、前記吸気弁の動作周波数の整数倍の周波数を含む所定の複数の周波数の成分の振幅と位相とを各回転数毎に自動的に算出する周波数解析部と、
吸気口から吸気弁までを含む吸気系配管の内部を境界要素法を用いてモデル化するとともに、前記周波数解析部から各回転数における前記複数の周波数成分の振幅と位相とを受け取って、前記複数の周波数成分の振幅と位相とを前記吸気弁における吸気への加振条件として与えることによって、各回転数における前記吸気口での吸気音をそれぞれ解析して合成し、これによって、前記複数の回転数における吸気音を表す吸気音データを求める吸気音色解析部と、
を備える吸気音色解析装置。
請求項１記載の吸気音色解析装置であって、さらに、
前記吸気音データを表示部に表示させるとともに、表示された吸気音データをユーザに修正することを許容する音色修正部を備える、吸気音色解析装置。
請求項２記載の吸気音色解析装置であって、さらに、
前記吸気音データに基づいて前記吸気音を再生する吸気音再生部を備える、吸気音色解析装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の吸気音色解析装置であって、さらに、
前記吸気口における吸気音データに基づいて、前記エンジンを搭載した車両の所定の位置における音を解析する車両位置音色解析部を備える、吸気音音色解析装置。