JP3105721B2

JP3105721B2 - 音響変換装置

Info

Publication number: JP3105721B2
Application number: JP30467293A
Authority: JP
Inventors: 祥之梅村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 2000-11-06
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: JPH07135696A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音響機器の開発設計に
あたっての設計支援装置、又は、音響シミュレータに関
するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、所望の音質を有する音を生成する発
音装置や入力音に対して音質を変化させて出力音を得る
音響装置を開発するに当たり、その音響装置の伝達関数
を研究することが行われている。そして、音響装置の開
発に当たり次の要求がある。

【０００３】１）対象とする音響装置が持つべき望まし
い伝達関数をある程度実現しうる範囲内で検討する場合
に、伝達関数を変化させたときの出力音を試聴したい。２）音響装置の構成要素を別形状や別部品に変更する場
合に、その装置を試作する前に変更後の装置の出力する
音を試聴したい。

【０００４】このような場合には、従来は、入力音をデ
ィジタルフィルタを通過させて出力音を得るようにして
いた。この出力音を変化させるには、ディジタルフィル
タの伝達関数（周波数特性）を変更する方法がとられて
いる。伝達関数を変更できるものとして、プログラマブ
ルディジタルフィルタが知られている。例えば、排気消
音器の音響特性を改善する場合の研究において、排気消
音器の伝達特性をディジタルフィルタで実現している。
入力音はエンジンからの圧力波であり、出力音は空中に
放射される排気音である。この時、排気音の音量が小さ
いことや排気音が不快な音色でないための伝達関数を求
めることや、望ましい排気音を得るための排気消音器の
構成要素を設計し決定することが研究の対象となる。即
ち、排気消音器の共鳴室や拡張室の寸法形状を変更した
り、別部品に変えたりした場合の出力音をシミュレート
することが要求されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のディジ
タルフィルタを用いて伝達関数を生成及び修正する場合
には、周波数座標上で伝達関数を表す曲線を点列で与え
た上で点間を直線補間又はスプライン補間等により補間
することにより、一応任意の形状に伝達関数を生成する
ことができる。

【０００６】しかしながら、上記の装置は伝達関数を変
化させることはできるものの、１）所望の出力音を得る
目的で伝達関数を合成したり、２）所望の出力音を得る
目的で音響装置の構成要素を変化させた場合に出力音が
どのように変化するかを知るには不十分である。

【０００７】本発明は上記の課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的は、所望の出力音が容易に得
られるような伝達関数の合成や、所望の出力音を得るた
めの音響装置の構成要素の形状変更や部品の選択を容易
にできるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１の発明は、図１に示すように、入力音を発生
する入力音発生手段１と、入力音に対する出力音の複数
の伝達関数を記憶した伝達関数記憶手段２−１〜２−ｎ
と、伝達関数記憶手段に記憶された伝達関数を曲線で表
示する表示手段３と、各伝達関数における曲線の切出し
区間を指定する区間指定手段４と、区間指定手段により
指定された区間の曲線を切出しその区間の曲線の形状を
変化させる加工手段５と、加工手段の出力する区間曲線
を合成して全領域における合成伝達関数を生成する合成
手段６と、入力音発生手段により発生された入力音を入
力して、合成手段により生成された合成伝達関数に基づ
いて出力音を生成する出力音生成手段７とからなる音響
変換装置である。

【０００９】

【作用】請求項１の発明では、伝達関数記憶手段２−１
〜２−ｎには、例えば、各構成部品毎や所望の音色毎の
伝達関数が記憶されている。この各伝関数は表示手段３
により周波数座標上で１つづつ又は全てを曲線表示する
ことができる。この曲線において、区間指定手段４によ
り曲線の各区間が指定され、指定された区間の曲線部分
が抽出される。抽出された曲線部分は加工手段５により
形状変化、頂点の位置のシフト等の修正が行われ、抽出
された曲線部分は合成手段６により全領域の伝達関数と
して合成される。出力音生成手段７により、この合成伝
達関数に基づいて入力音発生装置１から出力された入力
音が変換されて、出力音として出力される。

【００１０】

【発明の効果】このように本発明装置では、合成伝達関
数が各構成部品毎や所望の音色毎の伝達関数を一部の周
波数区間を指定して抽出した上で合成できることから、
容易に所望の出力音を得るための伝達関数を生成した
り、音響装置の構成部品を交換したり設計を変更した場
合の出力音が容易に得られる。このように、音響装置の
特性を容易に変更して出力音を生成することができるこ
とから、本装置を用いることで、音響装置の設計が極め
て容易となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。第１実施例本実施例装置の構成は図２に示すようになっている。主
にコンピュータシステムによって構成されている。ＣＰ
Ｕ１０とＲＡＭ１１と指令値を入力するキーボード１２
とＣＲＴ１３と入力音（この実施例ではエンジン音）を
記憶したテープレコーダ１５とディジタルフィルタ１４
と増幅器１６とスピーカ１７とで構成されている。

【００１２】ＲＡＭ１１には各種の音質や消音器の消音
室の構造や寸法等に対応した各種の伝達関数をサンプリ
ングデータとして記憶した伝達関数領域Ａ１〜Ａｎと最
終的に合成演算して得られた合成伝達関数を記憶する合
成伝達関数領域Ｂが形成されている。ＣＰＵ１０の処理
手順を図３のフローチャートを参照して説明する。

【００１３】ステップ１００では伝達関数を特定する番
号ｉが１に初期設定され、次のステップ１０２で第ｉ番
の伝達関数の曲線がＣＲＴ１３に表示される。次にステ
ップ１０４においてキーボード１２から曲線の切出し区
間が指定され、ステップ１０６でその区間曲線が修正を
要するか否かが判定される。区間曲線の修正を必要とし
ない場合には、ステップ１０８でその切出された区間曲
線がＲＡＭ１１に記憶される。次にステップ１１０で番
号ｉが合成に使用する伝達関数の最終に等しいか否かが
判定され、等しくなければステップ１１２で番号ｉが１
だけ加算されて、ステップ１０２に戻り次の伝達関数に
関する処理が実行される。このようにして、ステップ１
１４で各伝達関数から切出された区間曲線を連続させて
全周波数領域における合成伝達関数が演算され、その合
成伝達関数はＣＲＴ１３に表示されると共にＲＡＭ１１
の合成伝達関数領域Ｂに記憶される。次にステップ１１
６において、合成伝達関数が逆フーリエ変換（逆ＦＦ
Ｔ）されて、各係数がＲＡＭ１１に記憶され、ステップ
１１８で各係数がディジタルフィルタ１４に出力され
る。尚、ステップ１０６で切出された区間曲線を修正す
る場合には、ステップ１２０において後述するようにそ
の区間曲線の修正演算が行われる。

【００１４】上記の処理の結果、図５に示すように、マ
フラＡの特性とマフラＢの特性とを切り貼りにより合成
した合成伝達関数を求めることができる。このことによ
り、音響装置の構成要素を別形状や別部品に変更した場
合に、その変更後の音響装置の特性に対する音を試作前
に試聴することができる。

【００１５】例えば、今、マフラは低周波共鳴室と拡張
室から構成されるタイプとする。低周波成分の減音を役
目とする低周波共鳴室と中高域成分の減音を役目とする
拡張室とを別部品に変えることを検討する場合に本装置
が使用される。ベースとなるマフラＡの伝達関数と、別
部品であるマフラＢの伝達関数とが使用される。先ず、
低周波共鳴室はマフラＡのものを用いることから、マフ
ラＡの伝達関数の低域部分が区間曲線Ａ−１として切出
される。次に、拡張室はマフラＢのものを使用すること
から、マフラＢの伝達関数の高域部分が区間曲線Ｂ−２
として切出される。

【００１６】次に、区間曲線Ａ−１と区間曲線Ｂ−２と
を連続させて全周波数領域における合成伝達関数Ｃが求
められる。この合成伝達関数Ｃを逆フーリエ変換して、
各係数を求め、ディジタルフィルタ１４の係数として、
入力音に対してその合成伝達関数Ｃの特性を有するディ
ジタルフィルタ１４を作用させて出力音を得る。入力音
をマフラ入口の圧力波とすることで、マフラＡの低周波
共鳴室とマフラＢの拡張室を用いた新らしいマフラＣに
よる排気音を出力させることができる。このように、各
種のマフラの各機能部分に対応して周波数区間を切出し
て合成することで、新しい型のマフラの合成音を試作す
るまでもなく試聴できる。

【００１７】ディジタルフィルタ１４は、図４に示され
ている。これは入力波形に、いわゆるFIR (Finite Impu
lse Response) フィルタを作用させて出力波形を得るこ
とに相当する。FIR フィルタは図４に示すように乗算器
Ｍ₁〜Ｍ_nと遅延回路Ｄ₁〜Ｄ_n-1および加算器Ａ₁〜
Ａ_n-1とで構成されている。ここでFIR フィルタの乗算
器Ｍ₁〜Ｍ_nの係数は、上述したように、伝達関数を逆
フーリエ変換して得られたものを用いる。FIR フィルタ
と逆フーリエ変換は良く知られた技術である。上記実施
例では、逆フーリエ変換をＣＰＵ１０で実行している
が、逆ＦＦＴを行う市販の専用のLSI を用いることもで
きる。

【００１８】又、望ましい伝達関数をある程度実現しう
る範囲内で検討する場合に伝達関数の加工をしたい場合
には、次のような処理手順により、伝達関数の加工を行
うことができる。既存の２つのマフラＡ，Ｂは同じタイ
プで寸法が少し異なるものであるとし、両者の特性が共
に満足できず、その中間に良い特性がないかを検討した
い場合がある。この場合には、図６に示すように、マフ
ラＡとマフラＢの伝達関数を処理することで、所望の合
成伝達関数Ｃを得ることができる。即ち、マフラＡの伝
達関数の全区間を切出し、マフラＢの全区間を切出し、
それらの特性の平均値を求めることで合成演算を行って
合成伝達関数Ｃを得る。これにより、マフラＡの特性と
マフラＢの特性との中間の特性でマフラを設計した場合
に、どのような音が得られるかが試作することなく聞く
ことができる。

【００１９】第２実施例本実施例では、第１実施例において、図３のステップ１
２０において、切出した区間曲線の修正を行うようにし
たものである。本実施例では、ステップ１２０の修正は
図７の回路によって実行される。図８は図７の各ブロッ
ク回路の機能を示した図であり、図９は伝達関数の処理
手順を特性図で示した図である。

【００２０】本実施例の修正は、切出した区間曲線の山
・谷を移動させるものである。図８の（ａ）に示すよう
に、両端点ａ（ｘ_a，ｙ_a），ｂ（ｘ_b，ｙ_b）を固定
した状態で、谷の頂点をｐ（ｘ₁，ｙ₁）からｑ
（ｘ₂，ｙ₂）へと移動することを目的にしている。即
ち、曲線の両端ａ，ｂを固定した状態で、谷の頂点ｐを
上記のようにｑ点へ移動させた時の中間点ｍ（ｘ，ｙ）
の移動先点ｎ（ｘ’，ｙ’）を求める。移動先点ｎのｘ
座標ｘ’を求める際の図７に示す回路の動作を説明す
る。比較器３０によりｘとｘ₁とが比較され、セレクタ
３１によりｘがｘ₁より小さい場合にはｘ_aが選択さ
れ、ｘがｘ₁より大きい場合にはｘ_bが選択されて、３
つの減算器３２，３３，３４に供給される。即ち、中間
点ｍ（ｘ，ｙ）が頂点ｐ（ｘ₁，ｙ₁）に対して何方の
側に存在するかに応じて、存在する側の端点のｘ座標が
抽出される。

【００２１】今、図８の（ａ）に示す特性の場合には、
中間点ｍは移動前の頂点ｐに対して端点ｂ側に存在する
ので、抽出された端点は端点ｂとなる。よって、セレク
タ３１の出力値はｘ_bとなる。この値ｘ_bは、減算器３
２，３３，３４に供給されて、減算器３２により移動前
の頂点ｐの抽出された端点ｂに対するｘ方向の距離（ｘ
₁−ｘ_b）が演算され、減算器３３により移動後の頂点
ｑの抽出された端点ｂに対するｘ方向の距離（ｘ₂−ｘ
_b）が演算され、減算器３４により中間点ｍの抽出され
た端点ｂに対するｘ方向の距離（ｘ−ｘ_b）が演算され
る。次に、除算器３５により端点ｂに対する移動後の頂
点ｑのｘ方向の距離に対する端点ｂに対する移動前の頂
点ｐのｘ方向の距離の比ｒ＝（ｘ₁−ｘ_b）／（ｘ₂−
ｘ_b）が演算される。この比ｒは端点ｂを基準とするｘ
軸方向への倍率を意味する。

【００２２】次に、乗算器３６により中間点ｍの抽出さ
れた端点ｂに対するｘ方向の距離（ｘ−ｘ_b）に上記比
ｒを掛け算した値が出力される。これにより、移動前の
中間点ｍの端点ｂに対する距離を倍率ｒだけ拡大した距
離が得られる。次に、加算器３７によって、この値に値
ｘ_bが加算されることで、移動後の中間点ｎのｘ座標
ｘ’が求められる。

【００２３】上記の演算手法は、図８の（ｄ）に示され
ている。即ち、この種の演算は、移動前ｘ座標と移動後
のｘ座標との関係を線形写像とした上で、線形補間によ
り移動前の中間点ｍのｘ座標から移動後の中間点ｑのｘ
座標を求める演算である。

【００２４】中間点ｍが頂点ｐに対して端点ａ側にある
場合には、上記の端点ｂを端点ａに置換することで、全
く同様に演算することができる。その演算手法は、図８
の（ｂ）に示されている。中間点のｙ座標についても、
上記の手法におけるｘ座標をｙ座標に置換することで、
全く同様に演算することができる。但し、拡大率ｒはｙ
軸方向に関するものを使用する。演算手法は、中間点ｍ
が頂点ｐに対して端点ｂ側に存在する場合には、図８の
（ｅ）で、中間点ｍが頂点ｐに対して端点ａ側に存在す
る場合には、図８の（ｃ）で示されている。

【００２５】このようにして、伝達関数ｙ＝ｆ（ｘ）の
頂点ｐをｑ点に移動することによって得られる伝達関数
ｙ’＝ｇ（ｘ’）を求めることができる。

【００２６】このような伝達関数の合成処理により、次
のことが行える。音響要素として、既存マフラＡの共鳴
室を使用するが、その共鳴室の共鳴周波数を改善するこ
とを考える。この場合には、図９に示すように、共鳴室
の特性に対応して切出した区間曲線ｈの頂点ｓを移動さ
せることがこの共鳴室の共鳴特性を変化させることを意
味する。この場合には、第１実施例において、伝達関数
領域Ａ１とＡ２にマフラＡの伝達特性を記憶しておき、
図３と同様な処理により、マフラＡの伝達関数のうち所
定の周波数領域における区間曲線ｈと、その区間外の区
間曲線ｋが抽出される。そして、区間曲線ｈに対して
は、ステップ１２０で上述した頂点ｐを移動させた伝達
関数ｊが演算される。そして、ステップ１１４の合成伝
達関数の演算において、区間曲線ｋと修正された区間曲
線ｊとが合成されて、全周波数領域における合成伝達関
数ｄが演算される。

【００２７】このようにして、共鳴室の共鳴周波数を移
動させた場合のマフラの排気音を、マフラを試作するこ
となく、試聴することができる。

【００２８】第３実施例第１実施例において、入力音から出力音を得るのに、FI
R フィルタを用いているが、入力音をフーリエ変換し
て、入力音の周波数関数を求め、この周波数関数に伝達
関数を乗算し、乗算して得られた関数を逆フーリエ変換
することで出力音を得るようにしても良い。

【００２９】第４実施例回転機械の発生する音を扱う際、周波数分析として回転
次数分析を用いると有効なため一般にその分析が使われ
ている。回転次数分析ベースの波形合成技術として特開
平4-178698号公報に記載の装置が知られている。その波
形生成装置は、エンジンの離散的な回転速度毎に排気音
の音のスペクトルを記憶しておき、任意の回転速度時の
排気音のスペクトルを補間演算により求め、そのスペク
トルを逆フーリエ変換して合成された排気音をスピーカ
から出力するようにしたものである。

【００３０】本実施例は、図１０に示すように、伝達関
数メモリ５０は、図２におけるＲＡＭ１１の伝達関数領
域Ａ１〜Ａｎ即ち、伝達関数記憶手段２−１〜２−ｎに
対応し、マフラの伝達関数がエンジンの回転数毎に記憶
されている。セレクタ５１は、その時の回転数に近い２
つの伝達関数を抽出し、合成器５２は抽出された２つの
伝達関数からその時の回転数に対応した伝達関数を補間
演算等により合成する装置である。乗算器５３は合成器
５２により得られた合成伝達関数をセレクタ５６の出力
する入力音のスペクトラムに乗算する機器である。又、
スペクトラムメモリ５５は、マフラに入力するエンジン
の排気ガスの音波のスペクトルをエンジンの回転数毎に
記憶している。又、セレクタ５６はその時のエンジンの
回転数に対応した排気ガスの波形のスペクトルを合成し
て出力する。例えば、回転数が時間とともに高くなって
ゆく加速音の場合には、スペクトラムメモリ５５および
伝達関数メモリ５０より、回転数出力装置６１から出力
される回転数信号に応じて、初めは低回転数に対する値
が選択され、時間の経過に従って徐々に高回転数に対す
る値が選択される。

【００３１】乗算器５３はマフラの排気音の音波のスペ
クトルに伝達関数を乗算して、逆ＦＦＴ装置５７に出力
する。逆ＦＦＴ装置５７は周波数関数を時間関数に変換
して時間関数をＤ／Ａ変換器５８に出力する。Ｄ／Ａ変
換器５８はディジタル値列で与えられた時間関数をアナ
ログの連続波に変換して、ローパスフィルタ５９に出力
し、スピーカ６０から排気音が出力される。なお、逆Ｆ
ＦＴ装置５７によって逆フーリエ変換されたデータは本
来の時間周期を持っていない。そこで、クロック周波数
計算装置６１により、回転数信号に比例したクロック周
波数を計算し、その変換レートでＤ／Ａ変換することに
より、本来の時間波形を得ることができる。

【００３２】このように、エンジンの回転数に対応した
マフラの伝達特性を用いて出力音が得られることから、
より正確な排気音を得ることができる。又、マフラのエ
ンジンの回転数に対応した伝達特性を所定の特性にする
ことで、排気音を例えば軽快な音や快適な音に変換する
ことができる。

【００３３】尚、周波数＝次数・回転数／60の関係があ
るので、伝達関数の表示はこの関係を用いて周波数軸で
表示することができる。本実施例装置では、図１１に示
すように、エンジンの回転数に応じてマフラの伝達関数
を変化させることができるので、車両の加速時の排気音
の音感を変化させることができる。即ち、出力音の加速
カーブを自由に設定することができる。伝達関数を回転
数に応じて記憶していることから、伝達関数が回転数に
よって変化するような非定常な伝達系の加速音の発生が
可能である。

【００３４】又、図１２に示すように、エンジンの排気
系において、可変バルブを持つマフラが使われている。
これは低回転時にバルブが閉じられていて排気ガスはバ
イパス通路を通らず、排気音を十分低減し、高回転時に
バルブが開いて排気ガスはバイパス通路を通過すること
によって大幅な背圧低減を図るものである。この場合に
は、低速回転時のマフラ状態に対応した伝達関数と、高
速回転時に対応した伝達関数を設けることで、可変バル
ブのマフラの排気音をシミュレーションすることができ
る。

【００３５】又、図１３に示すように、入力音のデータ
と伝達関数のデータの選び方を工夫することによって、
エンジンの種類とマフラの種類との組合せによる排気音
のシミュレーションが可能となる。例えば、本来、エン
ジンＡとマフラＡが対応し、エンジンＢとマフラＢが対
応しているものを、組み替えてエンジンＡの圧力波がマ
フラＢを経由したときの排気音を合成することができ
る。このように、多くのエンジンに対応した入力音デー
タと多くのマフラの伝達関数を記憶しておき、その中か
ら所望の組合わせを選択することで、エンジンとマフラ
との組合わせを任意に変更して、排気音を生成すること
が可能となり、あるエンジンに対する最適なマフラを選
択することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体の構成を示したブロック図。

【図２】第１実施例に係る装置の構成を示したブロック
図。

【図３】第１実施例装置のＣＰＵの処理手順を示したフ
ローチャート。

【図４】第１実施例装置のディジタルフィルタの構成を
示したブロック図。

【図５】第１実施例装置の伝達関数の合成の様子を示し
た説明図。

【図６】第１実施例装置の伝達関数の合成の様子を示し
た説明図。

【図７】第２実施例装置における伝達関数を修正する加
工手段の構成を示したブロック図。

【図８】第２実施例装置の加工手段による伝達関数の修
正の様子を示した説明図。

【図９】第２実施例装置の加工手段による伝達関数の修
正の様子を示した説明図。

【図１０】第４実施例装置の構成を示したブロック図。

【図１１】第４実施例装置で合成可能な入力音と伝達関
数との関係を示した説明図。

【図１２】第４実施例装置で合成可能な入力音と伝達関
数との他の関係を示した説明図。

【図１３】第４実施例装置で合成可能な入力音と伝達関
数との他の関係を示した説明図。

【符号の説明】【符号の説明】

１０…ＣＰＵ（伝達関数生成手段、表示手段、区間指定
手段、加工手段、合成手段）１１…ＲＡＭ（伝達関数記憶手段）１５…テープレコーダ（入力音発生手段）１４…ディジタルフィルタ（出力音生成手段）１３…ＣＲＴ（表示手段）Ｍ₁〜Ｍ_n…乗算器（出力音合成手段）Ａ₁〜Ａ_n-1…加算器（出力音合成手段）Ｄ₁〜Ｄ_n-1…遅延器（出力音合成手段）３０…比較器（加工手段）３１…セレクタ（加工手段）３２〜３４…減算器（加工手段）３５…除算器（加工手段）３６…乗算器（加工手段）３７…加算器（加工手段）５５…スペクトラムメモリ（入力音発生手段）５６…セレクタ（入力音発生手段）５０…伝達関数メモリ（伝達関数記憶手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 3/00 310 B60R 11/02 G10K 15/04 302 H03H 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力音を発生する入力音発生手段と、入力音に対する出力音の複数の伝達関数を記憶した伝達
関数記憶手段と、前記伝達関数記憶手段に記憶された前記伝達関数を曲線
で表示する表示手段と、前記各伝達関数における曲線の切出し区間を指定する区
間指定手段と、前記区間指定手段により指定された区間の曲線を切出し
その区間の曲線の形状を変化させる加工手段と、前記加工手段の出力する区間曲線を合成して全領域にお
ける合成伝達関数を生成する合成手段と、前記入力音発生手段により発生された前記入力音を入力
して、前記合成手段により生成された合成伝達関数に基
づいて前記出力音を生成する出力音生成手段とから成る
音響変換装置。