JP3656357B2

JP3656357B2 - 体積速度計測方法及び装置

Info

Publication number: JP3656357B2
Application number: JP07764097A
Authority: JP
Inventors: 中村政弘
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: JPH10267745A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は体積速度計測方法及び装置に関し、特に、車両や産業機械のエンジン、トランスミッション、キャブパネル等の音源振動面から離れた位置の音圧を予測する音圧予測方法に好適な体積計測方法及び装置に関するものである。
【０００１】
【従来の技術】
近年、自動車や産業機械から発生する騒音が環境公害問題となっており、この騒音の静粛化が国内外で要求されている。
【０００２】
この場合、騒音の規制値は発生源から所定距離だけ離れた遠隔点で計測されるが、例えばエンジンを実際の車両に搭載する前の状態で音圧が分かれば騒音規制に対する方策をより簡単に決定することができるため、音源の振動面に起因する該音源振動面から離れた位置での音圧を正確に予測できる方法が求められている。
【０００３】
本出願人は特願平８−３４６０４号において、音源振動面と音圧予測点間の空間伝達特性を正確に計測し、音圧を実際に計測することなく音圧予測を行うことを目的とした「音圧予測方法」を出願した。以下、これについて概略的に述べる。
【０００４】
図４は上記の音圧予測方法をより概念的に示した図で、例えば、音源振動面積Ｓ１で振動速度Ｖ１の音源振動面１ａを有するエンジン１と、振動面積Ｓ２で振動速度Ｖ２の振動面２ａを有するスピーカ２とが配置設定されている。
【０００５】
いま、振動面１ａ，２ａに加わる力をそれぞれＦ１，Ｆ２とすると次の関係式が成り立つ。
【数１】
Ｆ１＝Ｚ１１・Ｖ１＋Ｚ１２・Ｖ２・・・式（１）
【数２】
Ｆ２＝Ｚ２１・Ｖ１＋Ｚ２２・Ｖ２・・・式（２）
但し、Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ２１，Ｚ２２は機械インピーダンスとする。
【０００６】
ここで、式（１）及び（２）において相反定理が成り立つと仮定すると、次式のようになる。
【数３】
Ｚ１２＝Ｚ２１・・・式（３）
【０００７】
一方、振動面１ａ，２ａの表面の平均音圧をそれぞれＰ１，Ｐ２、表面積をＳ１，Ｓ２とすると次の関係式が成り立つ。
【数４】
Ｆ１＝Ｐ１・Ｓ１・・・式（４）
【数５】
Ｆ２＝Ｐ２・Ｓ２・・・式（５）
【０００８】
式（１），（２），（４），（５）から、次の関係式が得られる。
【数６】
Ｓ１・Ｐ１＝Ｚ１１・Ｖ１＋Ｚ１２・Ｖ２・・・式（６）
【数７】
Ｓ２・Ｐ２＝Ｚ２１・Ｖ１＋Ｚ２２・Ｖ２・・・式（７）
【０００９】
次に式（６）で、Ｖ１＝０（エンジン１の振動面１ａを振動させない状態）とし、両辺をＶ２で割って整理すると、次の関係式が成り立つ。
【数８】
Ｚ１２＝Ｐ１・Ｓ１／Ｖ２・・・式（８）
【００１０】
式（３），（８）から、次の関係式が得られる。
【数９】
Ｚ２１＝Ｐ１・Ｓ１／Ｖ２・・・式（９）
【００１１】
同様に、式（７）で、Ｖ２＝０（スピーカ２の振動面２ａを振動させない状態）とし、両辺をＳ２で割って整理すると、次の関係式が成り立つ。
【数１０】
Ｐ２＝Ｚ２１・Ｖ１／Ｓ２・・・式（１０）
【００１２】
次に、式（９），（１０）からインピーダンスＺ２１を消去して整理すると、次の関係式が成り立つ。
【数１１】
Ｐ２＝｛Ｐ１／（Ｓ２・Ｖ２）｝・（Ｓ１・Ｖ１）・・・式（１１）
【００１３】
すなわち、音源振動面１ａを振動させて、予測点Ｑでの音圧を実測する代わりに、エンジン１の振動面１ａを振動させない状態で、スピーカ２の振動面２ａ（音圧予測点）を振動させ、この振動面２ａの振動速度Ｖ２と振動面１ａ近傍の音圧Ｐ１を測定することにより伝達特性Ｇ＝Ｐ１／（Ｓ２・Ｖ２）が得られる。なお、振動面面積Ｓ２は既知の値とする。また、「近傍」とは歪みを含まない一定値以上の被測定対象が得られる距離範囲内を意味する。
【００１４】
さらに、式（１１）から分かることは、スピーカ２の振動面２ａを振動させない状態で、エンジン１の振動面１ａを振動させた時の振動面１ａ近傍の振動速度Ｖ１を計測すれば振動面２ａ（音圧予測点）の音圧Ｐ２は伝達特性Ｇに体積速度（振動面面積Ｓ１×振動速度Ｖ１）を乗ずれば予測できるということである。なお、振動面面積Ｓ１も既知の値とする。
【００１５】
このような概念に基づき、特願平８−３４６０４号に係る音圧予測方法は、音源の振動面近傍にマイクロホンを配置するとともに、音圧予測位置にスピーカ及び振動計測器を配置し、該音源振動面が振動していないときに該スピーカを振動させて該振動計測器で該スピーカの振動速度（Ｖ２）を計測するとともに該マイクロホンで該音源振動面の音圧（Ｐ１）を計測することにより、該スピーカの既知の振動面面積（Ｓ２）を用いて該マイクロホンから該スピーカまでの空間の伝達特性をＰ１／（Ｓ２・Ｖ２）として求め、次に該振動計測器を該音源振動面近傍に配置し、該音源振動面を振動させて該振動計測器で該音源振動面の振動速度（Ｖ１）を計測し、該音源振動面の既知の面積（Ｓ１）を用いて該音源振動面に起因する該予測点における音圧Ｐ２をＰ２＝（Ｓ１・Ｖ１）・Ｐ１／（Ｓ２・Ｖ２）の式から求めている。
【００１６】
この音圧予測方法における空間伝達特性を求めるための具体的な手段を図５（１）により説明する。この音圧予測方法では、音圧を予測する点Ｑにスピーカ２を配置し、このスピーカ２の近傍にスピーカ２の振動面２ａの振動速度Ｖ２を測定する振動計測器６（振動速度測定器）を配置し、更にエンジン１の振動面１ａの近傍にマイクロホン４を配置して、振動面１ａと予測点Ｑ間の空間の伝達特性を測定する点が異なっている。
【００１７】
まず、エンジン１を停止して振動面１ａ〜１ｄを振動させない状態で、スピーカ２を振動させ、このスピーカ２の振動面２ａの振動速度Ｖ２を振動計測器６で測定するとともに、スピーカ２に起因する振動面１ａ近傍の音圧Ｐ１ａをマイクロホン４で測定する。
【００１８】
この測定結果により，振動面１ａの近傍の音圧Ｐ１ａと予測点Ｑのスピーカ２の振動速度Ｖ２から振動面１ａと予測点Ｑとの間の空間の伝達特性Ｇａを次式により求める。
【数１２】
Ｇａ＝Ｐ１ａ／（Ｓ２・Ｖ２）・・・式（１２）
但し、スピーカ２の振動面積Ｓ２は上記の通り既知の値である。
【００１９】
なお、上記の如く、この伝達特性Ｇａは（Ｐ１ａ・Ｓ１）／Ｖ２としても求められる。
【００２０】
次に、エンジン１を停止して振動面１ａ〜１ｄを振動させない状態で、スピーカ２を振動させ、振動面１ｂ〜１ｄの近傍にマイクロホン４を順次移動してそれぞれ振動面１ｂ〜１ｄ近傍の音圧Ｐ１ｂ〜Ｐ１ｄを測定し、上記式（１２）と同様にして下記の式により空間の伝達特性Ｇｂ〜Ｇｄをそれぞれ求める。
【数１３】
Ｇｂ＝Ｐ１ｂ／(Ｓ２・Ｖ２）・・・式（１３）
【数１４】
Ｇｃ＝Ｐ１ｃ／（Ｓ２・Ｖ２）・・・式（１４）
【数１５】
Ｇｄ＝Ｐ１ｄ／（Ｓ２・Ｖ２）・・・式（１５）
【００２１】
次に、上記のようにして求めた空間伝達特性Ｇａ〜Ｇｄを用いることにより、図５（２）の構成により予測点Ｑでの音圧を予測する。
【００２２】
まず、振動面１ａの近傍に振動計測器６を配置し、エンジン１を始動して振動面１ａ（及び振動面１ｂ〜１ｄ）を振動状態にするとともに、スピーカ２は存在しないので振動しない状態と等価になり、振動計測器６で振動面１ａの近傍の振動速度Ｖ１ａを測定する。
【００２３】
以下同様にして、振動面１ａ〜１ｄの振動状態を維持して、振動計測器６を順次、振動面１ｂ〜１ｄの近傍に配置してそれぞれ振動面１ｂ〜１ｄの近傍の振動速度Ｖ１ｂ〜Ｖ１ｄを計測する。
【００２４】
以上の測定結果により、エンジン１の振動面１ａ〜１ｄに起因する予測点Ｑの音圧Ｐ２は、既に求めた空間伝達特性Ｇａ〜Ｇｄと、各振動速度Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄと各振動面１ａ〜１ｄの面積Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄを乗じた各結果（体積速度）とを乗じた値の和で与えられるから次式のようになる。
【数１６】
Ｐ２＝Ｇａ・（Ｖ１ａ・Ｓ１ａ）＋Ｇｂ・（Ｖ１ｂ・Ｓ１ｂ）＋Ｇｃ・（Ｖ１ｃ・Ｓ１ｃ）＋Ｇｄ・（Ｖ１ｄ・Ｓ１ｄ）・・・式（１６）
但し、振動面面積Ｓ１ａ〜Ｓ１ｄは上記の通り既知の値である。
【００２５】
なお、式（１６）は、次式と同等である。
【数１７】
Ｐ２＝Ｐ１ａ・（Ｓ１ａ・Ｖ１ａ）／（Ｓ２・Ｖ２）＋Ｐ１ｂ・（Ｓ１ｂ・Ｖ１ｂ）／（Ｓ２・Ｖ２）＋Ｐ１ｃ・（Ｓ１ｃ・Ｖ１ｃ）／（Ｓ２・Ｖ２）＋Ｐ１ｄ・（Ｓ１ｄ・Ｖ１ｄ）／（Ｓ２・Ｖ２）・・・式（１７）
【００２６】
従って、上記のように伝達特性Ｇａ〜Ｇｄを求めずに、直接計測結果を式（１７）に代入しても予測点Ｑの音圧は求めることができる。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような音圧予測方法においては、音源振動面の面積Ｓ１とその振動速度Ｖ１とを用いているが、これらのパラメータの計測に際してはそれぞれ以下のような課題がある。
【００２８】
面積Ｓ１：実際に面積を何らかの方法で計測する必要があり、計測面等が汚れていたり高温であったりすると、清掃を含めて非常に時間が掛かったり、計測できない場合がある。
【００２９】
振動速度Ｖ１：振動計測装置の接触型では、ピックアップを音源振動面に固定して計測するが、レーザー等の非接触型の場合には、レーザーの放射する検出部位を音源振動面の近傍に固定して計測する。計測面等が汚れていたりすると、清掃を含めて非常に時間が掛かる場合がある。接触型では、高温状態では計測できない場合がある。
【００３０】
したがって本発明は、音源振動面の面積Ｓ１とその振動速度Ｖ１を個々に計測せずに両者の積である体積速度（Ｓ１・Ｖ１）を計測することが可能な方法及び装置を提供することを目的としている。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明者は振動面の音圧に着目した。
すなわち、図１に示すように振動面１１から距離Ｌだけ離れた点でマイクロホン等によりピックアップされる音圧Ｐは次式で表されることが知られている。
【００３２】
【数１８】
Ｐ＝ρ₀・ｃ₀・Ｕ・ｅ^-jKL ・・・式（１８）
ただし、ρ₀は媒質の密度、ｃ₀は媒質の速度、Ｕは粒子速度、Ｋは波長定数、をそれぞれ示す。
【００３３】
この式（１８）中の粒子速度Ｕは、振動面１１の近傍約５mm以内では、振動面１１の振動速度Ｖとほぼ等しい（Ｕ≒Ｖ）ことが既に実験的に証明されている。
【００３４】
一方、体積速度ＱはＱ＝Ｖ・Ｍ（Ｍは振動面１１の表面積）で与えられるので、体積速度Ｑは上記の式（１８）を用いると次式（１９）のようになる。
【数１９】

【００３５】
ただし、このときの音圧Ｐは隣接面からの漏れ込み音を遮断する必要があるので、この対策として誘導管を用いればよい。
【００３６】
従って、本発明に係る体積速度計測方法は、音源振動面に近接して一定断面積の誘導管を設置し、該誘導管中に設けられたマイクロホンにより該振動面による音圧を測定し、該音圧及び該断面積に基づき体積速度を演算することを特徴としている。
【００３７】
また、本発明に係る体積速度計測装置は、音源振動面に近接して設けられた一定断面積の誘導管と、該誘導管中に設けられて該振動面による音圧を測定するマイクロホンと、該音圧及び該断面積に基づき体積速度を演算する演算部と、を備えている。
【００３８】
なお、この誘導管に導入された振動音は平面波となって伝達されるため減衰し難いので、誘導管内に設けるマイクロホンの位置は上記の式（１９）のパラメータとはならない。そこで、上記のマイクロホンは、該誘導管の端部までの距離が変えられるように設けてもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明に係る体積速度計測方法を実施するための装置を示したもので、図中、１０は従来例において取り上げたエンジン等の音源を示し、この音源１０の一面には振動面１１が設けられている。
【００４０】
振動面１１と対向し且つその近傍に両端が開放され断面積が一定である誘導管１２が配置されており、この誘導管１２中にはマイクロフォン１３が設けられている。マイクロフォン１３の出力信号はアンプ１４を経由して周波数分析を行うためのＦＦＴ演算部１５に与えられている。
【００４１】
図３は、図１に示した体積速度計測装置の実施例における振動面１１と誘導管１２との関係を拡大して示したものであり、マイクロフォン１３はマイクロフォンガイド１６に取り付けられ、このマイクロフォンガイド１６は誘導管１２内を矢印▲１▼で示す両方向に移動可能になっている。
【００４２】
このような構造において、振動面１１から発生する体積速度Ｑは、上記の式（１９）から計算することができる。
【００４３】
すなわち、ＦＦＴ演算部１５は、予め既知の定数Ｍ，ρ_0,Ｃ_0,Ｋ，Ｌを保有しており、マイクロフォン１３で検出された音圧Ｐをアンプ１４を介してディジタル信号に変換した後、上記の式（１９）により体積速度Ｑを算出する。
【００４４】
この場合、距離Ａは式（１９）の要素になっていないが、λ（解析対象波長）／４=340/1000/4=0.085m以上であることが好ましい。この数値以下でもよいが、振動音波が誘導管１２の端部から中に入り込んで来たときに波が安定するまで、λ／４程度かかることが実験的に判明している。
【００４５】
また、誘導管１２の端部から振動面１１までの距離Ｌは５mm以下であることが好ましい。これより大きくなると周囲の壁面からの音波が回り込んでき来て正確な計測が困難になる。したがって、誘導管１２の端部は振動面１１に接触しない限り近づくことが望ましい。
【００４６】
また、誘導管１２の断面は一定であれば、丸形でも正方形でも構わない。また、音源１０の上限周波数に対応して種々の誘導管１２を用いることができ、マイクロフォンガイド１６が移動できる構造であればフレキシブルな管でもよい。
【００４７】
この場合、上記のように誘導管１２に導入された振動音は平面波となって伝達されるため減衰し難いので、必要に応じて誘導管１２を長くすることができ、高温等で接近し難い場合には有効となる。
【００４８】
ただし、この誘導管１２が矩形断面形状を有する場合には、対象周波数ｆ_C＝５KHzとすれば、最大対角寸法ｌはｌ＝ｃ／２ｆ_C＝0.034[m]となる。また、円形断面形状の場合には、ｄ＝0.586ｃ／ｆ_Cで与えられる直径が最大寸法となる。
【００４９】
マイクロフォン１３はプローブ型でもよく、マイクロフォン１３とＦＦＴ演算部１５とが一体であっても構わない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る体積速度計測方法及び装置によれば、音源振動面に近接して設けられた一定断面積の誘導管中に設けたマイクロホンにより該振動面による音圧を測定し、該音圧及び該断面積に基づき体積速度を演算するように構成したので、音源振動面の面積とその振動速度を個々に計測する必要なく、正確且つ短時間で体積速度を求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動面の音圧を計測するための一般的な手法を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明に係る体積速度計測方法で実施される装置を示したブロック図である。
【図３】図２の実施例を一部拡大して示した概略断面図である。
【図４】本出願人の特願平８−３４６０４号による音圧予測方法において用いられた解析モデル図である。
【図５】本出願人の特願平８−３４６０４号による音圧予測方法の実施の形態を示したブロック図である。
【符号の説明】
１０音源
１１振動面
１２誘導管
１３マイクロフォン
１４アンプ
１５ＦＦＴ演算部
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

音源振動面に近接して一定断面積の誘導管を設置し、該誘導管中に設けられたマイクロホンにより該振動面による音圧を測定し、該音圧及び該断面積に基づき体積速度を演算することを特徴とした体積速度計測方法。
音源振動面に近接して設けられた一定断面積の誘導管と、該誘導管中に設けられて該振動面による音圧を測定するマイクロホンと、該音圧及び該断面積に基づき体積速度を演算する演算部と、を備えたことを特徴とした体積速度計測装置。
請求項１において、
該マイクロホンは、該誘導管の端部までの距離が変えられるように設けられていることを特徴とした体積速度計測装置。