JP2008180620A - 信号変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音や振動を構成する信号成分のうち、時間変動する信号成分の振幅や周期の変更を自在に行なうことができる信号変換装置を提供する。
【解決手段】周波数フィルタで原時間波形信号から解析を行ないたい周波数帯域を取り出して第１の時間信号波形Ａを生成する。第１の時間信号波形Ａから第１の時間信号波形のエンベロープを表す第１のエンペロープ波形信号Ｂを生成し、エンベロープ調整部１３で振幅の増減などを図って第２のエンベロープ波形信号Ｄを生成する。一方第１の時間信号波形Ａと第１のエンベロープ波形信号Ｂとを用いて第１の時間波形演算部１２で第１の時間波形信号の振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号Ｃを生成して上記第２のエンベロープ波形信号Ｄとその第２の時間波形信号Ｃとを乗算して時間変動する変動成分の内容が変更された第３の時間波形信号Ｅを得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動や騒音を解析するのに用いられる信号変換装置に関する。

製造メーカにおいては、製品を使用する際の騒音や振動がユーザに不快感を与えることのないように、その製品を出荷する前に騒音解析や振動解析を行なって騒音や振動が抑制された製品を市場に投入するよう努めている。上記騒音解析や上記振動解析を行なうにあたっては信号変換装置と呼ばれるものを用いることがあり、この信号変換装置を用いると、騒音や振動の状態を解析的に検証して効果的な対策を施すことができる（例えば特許文献１参照）。

このような信号変換装置の中には、周波数軸が多数に分割され分割された周波数軸上の周波数領域ごとに設けられている周波数フィルタと、各周波数フィルタで分割された各周波数帯域ごとの信号成分の振幅を個別に調整する周波数フィルタ数と同一数の操作子とそれらの操作子のうちの少なくとも一つが調整された後の信号成分とその他の信号成分とを合成して出力する合成部とが備えられているものがある。

このような信号変換装置によれば、例えばエンジンから発せられた騒音やエンジンが動作したことにより発生する振動を表す原時間波形信号が上記信号変換装置に入力されまず入力された騒音を表わす信号や振動を表わす信号が上記周波数フィルタで周波数帯域ごとの信号成分に分解され、さらに上記操作子のうちの少なくとも一つが調整されることにより分解された信号成分のうちの少なくとも一つの信号成分の振幅が調整され、さらに調整された信号成分と調整されずにそのまま周波数フィルタを通過した信号成分とが合成部で合成されて別の騒音を表わす合成信号や別の振動を表わす合成信号が出力される。

この別の騒音を表わす合成信号や新たな振動を表わす合成信号が出力されたときには、試験者によって、エンジンから発せられている騒音とは異なる音やエンジンの動作により生じている振動とは別の騒音や振動の状態がスピーカから発せられる音や表示画面上の表示により確認される。こうして解析の対象（つまり騒音や振動の主たる構成要素となる周波数帯）の周波数帯域の振幅を調整することで騒音の状態や振動の状態を変化させながら解析的に騒音や振動を検証することができると、騒音や振動に対して効果的な対策を施すことが可能となる。

しかし、例えばエンジンから発せられている騒音やエンジンが動作しているときの振動においては、周期的に時間変動する変動成分が含まれていることが多い。この周期的に時間変動する変動成分については、上記信号変換装置が備える周波数フィルタでは分離し切れない。
特開２００１−３１１６５９号公報

本発明は、上記事情に鑑みて、騒音や振動を構成する信号成分のうち、時間変動する変動成分の振幅や周期の変更を自在に行なうことができる信号変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の信号変換装置は、第１の時間波形信号に基づいて、その第１の時間波形信号のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ抽出部と、
上記第１の時間波形信号と上記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号とを用いて、上記第１の時間波形信号の振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号を生成する第１の時間波形演算部とを備えたことを特徴とする。

上記本発明の信号変換装置によれば、上記エンベロープ抽出部によって上記第１の時間波形信号に基づいてその第１の時間波形信号のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号が抽出される。この第１のエンベロープ波形信号は、騒音や振動の中の変動成分の時間波形信号に該当する。また、上記第１の時間波形演算部によっては、その変動成分の時間波形以外の上記第２の時間波形信号が生成される。

つまり、本発明の信号変換装置によれば、上記第１の時間波形演算部と上記エンベロープ抽出とによって、上記第１の時間波形信号が、その第１の時間波形信号の振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号とその第１の時間波形信号の変動成分を表わす第１のエンベロープ信号とに分離される。

例えば上記エンベロープ抽出部で抽出された上記第１のエンベロープ波形信号の振幅や周期を操作子等で変更することができる構成にすると、時間変動する変動成分の振幅や周期の変更を自在に行なうことができる信号変換装置が実現する。

ここで、上記エンベロープ抽出部は、上記エンベロープ波形信号をヒルベルト変換により生成するものであることが好ましい。

上記周波数フィルタをプロセッサからなるデジタルフィルタで構成した場合には、上記エンベロープ抽出部にヒルベルト変換を用いると、すべてをプロセッサ内に構成することができる。

また、上記第１の時間波形演算部は、上記第１の時間波形信号を上記エンベロープ抽出部で生成されたエンベロープ波形信号で除算することにより上記第２の時間波形信号を生成するものであることが好ましい。

上述したように当該信号変換装置をプロセッサで構成すると、デジタルフィルタの他に除算などの四則演算回路も自在にプロセッサ内部に構成することができる。その除算回路を使って上記第１の時間波形信号を上記エンベロープ波形信号で除算すると、時間変動成分が取り除かれて、騒音や振動を構成する多数の信号成分のうち、その時間変動成分を除く信号成分が得られる。

ここで上記第１の時間波形演算部で生成された第２の時間波形信号と、所望の時間変動成分を含む第２のエンベロープ波形信号とを用いて、上記第２の時間波形信号に上記時間変動成分に応じて時間変動する振幅が付与されてなる第３の時間波形信号を生成する第２の時間波形演算部をさらに備えると良い。

上記第２の時間波形演算部で上記第３の時間波形信号を生成するにあたっては、
上記第２の時間波形演算部が、上記第１の時間波形演算部で生成された第２の時間波形信号に上記第２のエンベロープ波形信号を乗算することにより上記第３の時間波形信号を生成すると良く、
また上記第２のエンベロープ信号を生成するにあたっては、
上記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の時間変動成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ調整部を備えていると良い。

そうすると、上記エンベロープ調整部で上記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の時間変動成分のみが抽出されて上記第２のエンベロープ波形信号が生成され、その第２のエンベロープ波形と上記第２の時間波形信号とが上記時間波形演算部で乗算されて、当該信号変換装置に入力された騒音や振動のうち、時間変動する変動成分の内容が変更された第３の時間波形が生成される。

なお上記エンベロープ調整部は、上記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の周波数帯域の変動成分と直流成分を抽出することにより上記第２のエンベロープ波形信号を生成するものであることが好ましい。

上述したように上記エンベロープ調整部をプロセッサ内に構成した場合には、所望の周波数帯域の変動成分を抽出するにあたって直流成分を基準としてその直流成分からの偏差を用いて所望の周波数帯域の変動成分を抽出する構成にしておくと処理を行ない易い。

また原時間波形信号から所望の周波数帯域成分を抽出することにより上記第１の時間波形信号を生成する第１の周波数フィルタを備えるとともに、
上記第１の時間波形演算部の後段であって上記第２の時間波形演算部の前段に、上記第１の周波数フィルタと同等の周波数特性を有する第２の周波数フィルタを備えたことを特徴とする。

そうすると、解析対象とする周波数帯域成分のみに所定の処理を施すことができる。

以上、説明したように、騒音や振動を構成する信号成分のうち、時間変動する信号成分の振幅や周期の変更を自在に行なうことができる信号変換装置が実現する。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態である信号変換装置１の構成を示す図である。

図１の信号変換装置１は、例えばパーソナルコンピュータ等のＣＰＵ（プロセッサ）を備えた装置で構成されるものであり、その場合にはパーソナルコンピュータが備えるＣＰＵが実行する処理の手順を示すプログラムで各構成要素が構成される。

図１の信号変換装置１内には、そのプログラムで構成された、第１の時間波形信号に基づいて、その第１の時間波形信号のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ抽出部１１と、第１の時間波形信号とエンベロープ抽出部１１で生成された第１のエンベロープ波形信号とを用いて、第１の時間波形信号の振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号を生成する第１の時間波形演算部１２とを備えている。

上記エンベロープ抽出部１１は、エンベロープ波形信号をヒルベルト変換により生成するものであり、また第１の時間波形演算部１２は、第１の時間波形信号をエンベロープ抽出部で生成されたエンベロープ波形信号で除算することにより第２の時間波形信号を生成するものである。図１には各部から出力された信号が異なるものであることを示すために符号Ａ、符号Ｂ、符号Ｃ、符号Ｃ´、符号Ｄ、符号Ｅがそれぞれ示されている。

さらに本発明の信号変換装置１は、第１の時間波形演算部１２で生成された第２の時間波形信号と、所望の時間変動成分を含む第２のエンベロープ波形信号とを用いて、第２の時間波形信号に時間変動成分に応じて時間変動する振幅が付与されてなる第３の時間波形信号を生成する第２の時間波形演算部１５をさらに備えており、その第２の時間波形演算部１５は、第１の時間波形演算部１２で生成された第２の時間波形信号に第２のエンベロープ波形信号を乗算することにより第３の時間波形信号を生成するものである。

また本発明の信号変換装置１は上記エンベロープ抽出部１１で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の時間変動成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ調整部１３を備えていて、このエンベロープ調整部１３は、エンベロープ抽出部１１で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の周波数帯域の変動成分と直流成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号を生成するものである。このエンベロープ調整部１３が備えられていると、そのエンベロープ調整部１３によってエンベロープの振幅や周期が所望のものに変更される。

さらに本発明の信号変換装置１は、解析対象となる周波数帯を指定するために、原時間波形信号から所望の周波数帯式成分を抽出することにより第１の時間波形信号を生成する第１の周波数フィルタ１０を備えるとともに、第１の時間波形演算部１２の後段であって第２の時間波形演算部１５の前段に、第１の周波数フィルタ１０と同等の周波数特性の第２の周波数フィルタ１４を備えている。

入力側に該当する上方から出力側に該当する下方に向けて図１を参照しながら信号変換装置１の動作を説明していく。

まず、原時間波形信号例えばエンジンの騒音を表わす時間波形信号が点線で囲まれた信号変換装置１に入力されると、まず第１の周波数フィルタ１０によって周波数軸上の多数の周波数帯域ごとに信号が分割され、対象とする周波数帯域のみの信号成分からなる第１の時間波形信号Ａが得られる。

この第１の時間波形信号Ａは、エンベロープ抽出部１１と第１の時間波形演算部１２との双方に供給される。

一方のエンベロープ抽出部１１では、その第１の時間波形信号の供給を受けてヒルベルト変換が行なわれて第１の時間波形信号のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号Ｂが生成され、生成された第１のエンベロープ波形信号Ｂが後段のエンベロープ調整部１３と上記第１の時間演算部１２との双方に供給される。

他方の第１の時間波形演算部１２では、第１の時間波形信号Ａと第１のエンベロープ波形信号Ｂとの双方の供給を受けて第１の時間波形信号Ａを被除数、第１のエンベロープ波形信号Ｂを除数として除算が行なわれて、時間的に一定の振幅の第２の時間波形信号Ｃが生成される。なお、この例では、解析信号の純度を高めるために、上記第１の周波数フィルタ１０と同等の周波数特性を持つ第２の周波数フィルタ１４を上記第２の時間波形演算部１２の後段に設けてその第２の周波数フィルタ１４で第２の時間波形信号の波形を整えて後段の第２の時間波形演算部１５に第２の時間信号波形を供給する構成としている。

またエンベロープ調整部１３では、第１のエンベロープ波形信号を受けて、その第１のエンベロープ波形信号から所望の時間変動成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号が生成される。こうして第１のエンベローブ波形信号から第２のエンベロープ波形信号が生成されると、原時間信号波形のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号が持つ周波数帯域が相対的に広い帯域に亘って広がっているときには、所望の帯域の信号成分のみを抽出して第２のエンベロープ信号を生成し生成した第２のエンベロープ信号に変更を加えることができるので、時間変動成分の振幅の変更を行なうことができるばかりでなく、抽出する帯域を変更することで時間変動成分の周期を変更することもできる。

なおこの例では、エンベロープ調整部１３で、処理の都合上、エンベロープ抽出部１１で生成された第１のエンベロープ波形信号Ｂから所望の変動成分の周波数帯域の信号成分と直流成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号Ｄを生成している。こうして、第２のエンベロープ波形信号Ｄと、信号の純度が高められた上記第２の時間波形信号Ｃ´とが乗算されて第３の時間信号波形Ｅが生成される。

最後に解析対象以外の周波数帯域の信号成分すべてが加算部１６で加算されて変動成分の内容が変更された時間波形信号が出力される。

ここでユーザが本発明の信号変換装置１が備える第１の周波数フィルタに、原時間信号波形から解析対象とする周波数帯域の信号成分を抽出させたり、エンベロープ調整部に所望の周波数帯域の信号成分を抽出させたりするにあたっては、例えば信号変換装置１を構成するパーソナルコンピュータが備える表示画面上に、それぞれの周波数帯域を入力することができるように入力用ボックス等を作成しておいて、ユーザにその入力ボックスから数値を入力させる構成にしておくと良い。また、第３の時間波形信号Ｅが出力されたときにはその結果をパーソナルコンピュータが備える表示画面上に表示させる構成にしておくと、その表示画面を見て入力する数値を変更しながら解析結果を表示画面上で確認することができるようになるので、ユーザにとっては使い勝手の良い信号変換装置になる。

図２を参照して、図１の信号変換装置１が備える各部で処理が実行された後の波形の状態の変化を説明する。

図２は、図１の信号変換装置１が備える各部から出力された時間信号波形の状態の変化を説明する図である。

図２（ａ）には、第１の周波数フィルタから出力された第１の時間信号波形Ａが示されており、図２（ｂ）には、第１の時間波形演算部から出力された第２の時間信号波形Ｃが示されており、図２（ｃ）には、第３の時間信号波形Ｅが示されている。

図２（ａ）に示す波形は、解析対象とする所定の周波数帯を帯域として持つ周波数フィルタから出力された信号波形であり、時間変動が所定の周期で生じている。

従来においては、この時間信号波形の時間変動の周期や振幅の増減を行なうことができなかったが、図１の信号変換装置１では、変動成分と他の信号成分とを分離することで、変動成分の振幅や周期の変更を可能ならしめている。

この例では図１のエンベロープ調整部１３で、エンベロープ波形の振幅の増加を図って、第２の時間信号波形Ｃ´と乗算することで、図２（ｃ）の信号波形を得ている。

第２の時間信号波形Ｃ´は、原信号を構成する信号成分のうちの時間変動成分が除外された信号の時間信号波形になるので、その第２の時間信号波形Ｃ´に、振幅の増加が図られた第２のエンベロープ波形信号が乗算されると、この信号変換装置に入力された原時間波形信号のうちの時間変動成分のみが変更された信号が得られる。

なお、図１では、振幅を増加させた場合の例を示したが、当然のことながら振幅を減少させることもできる。

また、図１の説明においては、エンベロープ抽出部１１で抽出した変動成分の振幅や周期を調整する構成を説明したが、第１の時間波形演算部１２で第１の時間波形信号Ａの振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号Ｃが生成されているので、エンベロープ抽出部１１とエンベロープ調整部１３を省略して、それらで第２のエンベロープ信号Ｄを生成する代わりに図１の点線で示した様に外部にファンクションジェネレータＦＧを接続してそのファンクションジェネレータＦＧで任意に生成した第２のエンベロープ波形信号Ｄ´を用いて第２の時間波形演算部１５で任意の変動成分を持つ第３の時間波形信号Ｅを生成する構成にしても良い。そうすると、ファンクションジェネレータＦＧで様々な第２のエンベロープ信号Ｄ´を生成することにより様々な変動成分を持つ第３の時間信号波形Ｅを生成することができるので、騒音や振動の解析をより効果的に行なうことができる。

以上説明したように、騒音や振動を構成する信号成分のうち、時間変動する信号成分の振幅や周期の変更を自在に行なうことができる信号変換装置が実現する。

本発明の一実施形態である信号変換装置１の構成を示す図である。 図１の信号変換装置が備える各部から出力された時間信号波形の状態の変化を説明する図である。

符号の説明

１ 信号変換装置
１０ 第１の周波数フィルタ
１１ エンベロープ抽出部
１２ 第１の時間波形演算部
１３ エンベロープ調整部
１４ 第２の周波数フィルタ
１５ 第２の時間波形演算部
１６ 加算部
Ａ 第１の時間波形信号
Ｂ 第１のエンベロープ波形信号
Ｃ Ｃ´ 第２の時間波形信号
Ｄ 第２のエンベロープ波形信号
Ｅ 第３の時間信号波形

Claims (8)

1. 第１の時間波形信号に基づいて、該第１の時間波形信号のエンベロープを表わす第１のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ抽出部と、
   前記第１の時間波形信号と前記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号とを用いて、前記第１の時間波形信号の振幅が時間的に一定の振幅に変換されてなる第２の時間波形信号を生成する第１の時間波形演算部とを備えたことを特徴とする信号変換装置。
2. 前記エンベロープ抽出部は、前記エンベロープ波形信号をヒルベルト変換により生成するものであることを特徴とする請求項１記載の信号変換装置。
3. 前記第１の時間波形演算部は、前記第１の時間波形信号を前記エンベロープ抽出部で生成されたエンベロープ波形信号で除算することにより前記第２の時間波形信号を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の信号変換装置。
4. 前記第１の時間波形演算部で生成された第２の時間波形信号と、所望の時間変動成分を含む第２のエンベロープ波形信号とを用いて、前記第２の時間波形信号に前記時間変動成分に応じて時間変動する振幅が付与されてなる第３の時間波形信号を生成する第２の時間波形演算部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の信号変換装置。
5. 前記第２の時間波形演算部が、前記第１の時間波形演算部で生成された第２の時間波形信号に前記第２のエンベロープ波形信号を乗算することにより前記第３の時間波形信号を生成するものであることを特徴とする請求項４記載の信号変換装置。
6. 前記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の時間変動成分を抽出することにより第２のエンベロープ波形信号を生成するエンベロープ調整部を備えたことを特徴とする請求項４記載の信号変換装置。
7. 前記エンベロープ調整部は、前記エンベロープ抽出部で生成された第１のエンベロープ波形信号から所望の周波数帯域の変動成分と直流成分を抽出することにより前記第２のエンベロープ波形信号を生成するものであることを特徴とする請求項６記載の信号変換装置。
8. 前記原時間波形信号から所望の周波数帯域成分を抽出することにより前記第１の時間波形信号を生成する第１の周波数フィルタを備えるとともに、
   前記第１の時間波形演算部の後段であって前記第２の時間波形演算部の前段に、前記第１の周波数フィルタと同等の周波数特性を有する第２の周波数フィルタを備えたことを特徴とする請求項４記載の信号変換装置。
   
   
   
   
   
   
   

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