JP4674104B2 - サウンドシミュレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、打球用具等の打球音等についてのシミュレーションシステムに関する。

ゴルフクラブやバットやラケット等の打球用具においては、その打球用具が「手ごたえのある」「頼もしい」「爽快感のある」打球音を発することが要求されている。打球用具を使うプレイヤーにとって、その打球用具の打球音は重要である。よい音質の打球音は、プレイヤーを楽しくさせる。そのため、打球用具の研究、開発においては、所望の打球音を得るための努力が行われてきた。

従来、打球用具等の振動体が発する音の音質改善は、まず、試作品を設計して作成し、次に、試作品で音を出してみて音を評価し、その評価に基づいて試作品の設計変更するといった手順を繰り返すことで行われてきた。

通常、上記手順による音質改善作業で所望の音質を得るには、試作品の作成を繰り返し、何度も音質評価を行い、試行錯誤することが必要である。その結果、研究・開発に費やす時間と費用は多大なものとなってしまう。また、音を評価し、その評価に基づいて試作品の設計変更する工程においては、設計者に長年の経験といわゆる職人芸が要求されていた。どのように設計変更すれば、どのように音質が変化するのかを知るための客観的なデータが得られなかったからである。その結果、さらに研究・開発に費やす時間と費用が多大なものになるという課題があった。

一方で、ゴルフクラブヘッドを等方性のシェル要素でモデル化し、コンピュータのシミュレーションによって、ボールの打ち出し速度を解析する方法が開示されている（特許文献１）。この方法によれば、コンピューターのシミュレーションによりボールの打ち出し速度が解析できるので、試作品を作成しなくてもボールの打ち出し速度を知ることができる。

しかしながら、特許文献１に開示された方法からは、打球音の解析はできない。また、どのように設計変更すれば、どのように音質が変化するのかを知るための客観的なデータを得ることもできない。そのため、特許文献１に開示された方法では上記課題を解決することはできない。
特開平１０−２６３１１８号公報

そこで、本発明は上記課題を鑑み、試作品を作成することなく、振動体から発する音を解析することができるシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明にかかるシミュレーションシステムは、振動体の固有値データを入力する固有値データ入力部と、前記振動体に作用させる衝撃力の衝撃波形データを入力する衝撃波形データ入力部と、振動体が発する音を受音する位置を示す受音位置データを入力する受音位置データ入力部と、前記振動体に衝撃力が加えられた場合の、速度応答分布を、少なくとも前記固有値データ、前記衝撃波形データおよび前記受音位置データを用いて算出する速度応答分布計算部と、前記受音位置における音圧スペクトルを、少なくとも前記速度応答分布を用いて算出する音圧スペクトル計算部と、前記音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形を算出する時系列波形計算部とを備える。

本発明にかかるシミュレーションシステムによれば、試作品を作成することなく、振動体から発する音を解析することができる。

本発明にかかるシミュレーションシステムは、振動体の固有値データを入力する固有値データ入力部と、振動体に作用させる衝撃力の衝撃波形データを入力する衝撃波形データ入力部と、前記振動体が発する音を受音する位置を示す受音位置データを入力する受音位置データ入力部を備える。さらに、振動体に衝撃力が加えられた場合の振動体の速度応答分布を、少なくとも固有値データ、衝撃波形データおよび受音位置データを用いて算出する速度応答分布計算部と、受音位置における音圧スペクトルを、少なくとも速度応答分布を用いて算出する音圧スペクトル計算部と、音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形を算出する波形算出部を備える。

本発明にかかるシミュレーションシステムは、固有値データおよび衝撃波形データを用いて速度応答分布を算出する速度応答分布計算部を備えるので、振動体の固有値データと衝撃波形データと受音位置を入力することによって、衝撃波形データで表される衝撃力が振動体に加えられた場合の速度応答分布が得られる。

また、本発明にかかるシミュレーションシステムは、速度応答分布を用いて音圧スペクトルを算出する音圧スペクトル計算部を備えるので、受音位置での音圧スペクトルが得られる。

また、本発明にかかるシミュレーションシステムは、波形算出部を備えるので、音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形が得られる。

このように、本発明にかかるシミュレーションシステムによれば、衝撃力が振動体に加えられた場合の速度応答分布、任意の受音位置での音圧スペクトルおよび音圧の時系列波形が得られるので、試作品を作成することなく、振動体からどのような音が発せられるかを定量的に解析することができる。

本発明にかかるシミュレーションシステムは、振動体の減衰比データを入力する減衰比データ入力部をさらに備え、速度応答分布計算部は、減衰比データをさらに用いて速度応答分布を算出することが好ましい。

減衰比データをさらに用いて速度応答分布を算出することによって、より現実に近い速度応答分布が得られる。その結果、速度応答分布を基に計算される音圧スペクトルおよび時系列波形も現実に近いものとなる。

前記減衰比データは、振動体の有する固有モードごとに設定された減衰比の集合であることが好ましい。

現実の振動体においては、その振動体の有する固有モードごとに振動減衰の度合いは異なる。したがって、固有モードごとに設定された減衰比を減衰比データとして入力することにより、現実の現象に近く、精度の高い打球音シミュレーションが可能となる。

前記衝撃波形データは、前記衝撃力の衝撃波形を近似したデータであることが好ましい。

衝撃波形を近似した衝撃波形データを計算に用いることにより、計算負荷が軽くなる。また、計算結果に振動体の振動特性がより明確に表れる。

一般的に、打球音は、衝撃力によって励起される衝突直後の短い時間で起こる振動と、振動体の固有振動等によって衝突後もしばらく続く振動とによるものである。前者の振動は、主に振動体に加わる衝撃波の波形に依存する。後者の振動は、振動体の固有モードおよび減衰比等振動体の振動特性に主に依存し、衝撃波の波形にはあまり影響されない。そのため、衝撃力が単純な波形の場合は、前者の振動による影響より後者の振動による影響の方が打球音に反映される。その結果、振動体の振動特性が打球音に明確に表れることになる。

本発明にかかるシミュレーションシステムは、速度応答分布、音圧スペクトル、および時系列波形の少なくとも１つを出力する出力部をさらに備えることが好ましい。

速度応答分布、音圧スペクトル、および時系列波形の少なくとも１つを出力する出力部を備えることによって、設計者が振動体の発する音を容易に把握できる。

本発明にかかるシミュレーションシステムにおいて、出力部は、時系列波形で表される音を再生する再生部を含むことが好ましい。

時系列波形で表される音を再生することによって、設計者は振動体の発する音を聞くことができる。

本発明にかかるシミュレーションシステムにおいて、出力部は、振動体の速度応答分布を周波数ごとに３次元的表示する表示部を含むことが好ましい。

振動体の速度応答分布を周波数ごとに３次元的表示することによって、設計者は、ある周波数の音が、振動体のどの部分のどのような振動によるものなのかを視覚的に捕らえることができる。

本発明にかかるシミュレーションシステムにおいて、振動体は、打球用具又は打球用具の一部とすることができる。

本発明にかかるシミュレーションシステムにおいて、振動体は、ゴルフクラブのヘッドとすることができる。

本発明に係る設計システムは、振動体を設計する設計部と、設計部で設計された振動体の設計データを記憶するための設計データ記憶部と、設計データに基づいて振動体の固有値データを求める固有値解析部と、固有値解析部で求められた振動体の固有値データを入力する固有値データ入力部と、振動体に作用させる衝撃力の衝撃波形データを入力する衝撃波形データ入力部と、振動体が発する音を受音する位置を示す受音位置データを入力する受音位置データ入力部と、振動体に衝撃力が加えられた場合の、速度応答分布を、少なくとも固有値データ、衝撃波形データおよび受音位置データを用いて算出する速度応答分布計算部と、受音位置における音圧スペクトルを、少なくとも速度応答分布を用いて算出する音圧スペクトル計算部と、音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形を算出する時系列波形計算部とを備える。速度応答分布、音圧スペクトルおよび時系列波形の少なくとも１つのデータに基づいて設計データ記憶部の設計データに変更が加えられる。

本発明にかかる設計システムは、速度応答分布、音圧スペクトルおよび時系列波形の少なくとも１つのデータに基づいて設計データ記憶部の設計データに変更が加えられるので、設計者は、試作品を作成することなく、音質が改善された振動体を設計することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の一形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１は、ゴルフクラブのヘッドを振動体として、ゴルフクラブでボールを打った場合の打球音をシミュレーションするためのシステムである。図１は、本発明の実施の形態１におけるシミュレーションシステムの構成の一例を示す機能ブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるシミュレーションシステム１は、入力部１０と、速度応答分布計算部２０と、音圧スペクトル計算部３０と、時系列波形計算部４０と、記憶部７０と、出力部５０とを備える。

入力部１０には、固有値データ６１の入力を行うための固有値データ入力部１１、衝撃波形データ６２の入力を行う衝撃波形データ入力部１２、減衰比データ６３の入力を行う減衰比データ入力部１３および受音位置データ６４の入力を行う受音位置データ入力部１４が含まれている。

固有値データ６１は、設計部９０で作成された設計データ６８に基づいて固有値解析部１００で作成され、固有値データファイルとして保存されている。固有値データファイルのファイル形式としては、テキストファイル形式、ＣＳＶファイル形式、その他入力部１０が読み込むことができる形式を用いることができる。

衝撃波形データ６２は、衝撃波形データ作成部１１０で作成され、衝撃波形データファイルとして保存されている。

減衰比データ６３は、減衰比データ作成部１２０で作成され、減衰比データファイルとして保存されている。

受音位置データ６４は、受音位置データ作成部１３０で作成され、受音位置データファイルとして保存されている。

入力部１０は、ファイルを読み込むことによって固有値データ６１、衝撃波形データ６２、減衰比データ６３、受音位置データ６４等を入力するので、ファイル入出力インターフェースや入力するファイルのパスを設計者が指定するためのＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を備えていることが好ましい。また、減衰比データ６３や受音位置データ６４は、設計者によって直接入力される場合も考えられるので、入力部１０は、設計者がデータを直接入力するためのＧＵＩを備えていてもよい。なお、ＧＵＩの代わりにＣＵＩ（Ｃｈａｒａｃｔａｒ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いてもよい。

速度応答分布計算部２０は、固有値データ入力部１１で入力された固有値データ６１と、衝撃波形データ入力部１２で入力された衝撃波形データ６２と、減衰比データ入力部１３で入力された減衰比データ６３と、受音位置データ入力部１４で入力された受音位置データ６４に基づいて、速度応答分布６５を計算する。計算された速度応答分布６５は記憶部７０に保存される。

音圧スペクトル計算部３０は、記憶部７０に保存された速度応答分布６５に基づいて音圧スペクトル６６を計算する。計算された音圧スペクトル６６は、記憶部７０に保存される。

時系列波形計算部４０は、記憶部７０に保存された音圧スペクトル６６に基づいて、時系列波形６７を計算する。計算された時系列波形６７は記憶部７０に保存される。時系列波形６７は、例えば、ＷＡＶＥ形式にて保存される。

出力部５０は、表示制御部５１、再生制御部５２、ディスプレイ５３およびスピーカ５４を含む。表示制御部５１は、記憶部７０に保存された速度応答分布６５、音圧スペクトル６６、時系列波形６７を読み出し、表示するための適当な処理を加えてディスプレイ５３へ表示する。再生制御部５２は、記憶部７０に保存された時系列波形６７を読み出し、音として再生するための適当な処理を加えて、時系列波形６７で表される音を再生する。なお、スピーカ５４は、ヘッドホン等その他の音出力装置でもよい。また、再生制御部５２とスピーカ５４の他に、音を再生するために、アンプやイコライザ等が設けられてもよい。

次に、本実施の形態にかかるシミュレーションシステム１の動作について図１および図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態にかかるシミュレーションシステム１の動作を示すフローチャートである。

まず、図２に示すように、ステップ８０１で、固有値データ入力部１１がゴルフクラブヘッドの固有値データ６１を入力する。

固有値データ６１には、例えば、固有振動数、固有ベクトル、要素の番号、要素の位置等が含まれる。

固有値データ６１は、ゴルフクラブヘッドの設計データ６８に基づいて作成される。以下、固有値データ６１の作成過程を説明する。

ゴルフクラブヘッドの設計データ６８は、設計部９０で設計者からの入力に基づいて作成される（ステップ９０１）。作成された設計データ６８は設計データ記憶部９１に保存される（ステップ９０２）。設計データ６８は、例えば、ゴルフクラブヘッドの形状、材質等に関するデータである。設計部９０には、例えば、ＣＡＤが用いられる。固有値解析部１００は、設計データ６８を読み込み、メッシュ化することによって、ゴルフクラブヘッドを複数の要素に分割する（ステップ１００１）。固有値解析部１００は、複数の要素に分割されたゴルフクラブヘッドについて、有限要素法または境界要素法等を用いて固有値解析を行う（ステップ１００２）。有限要素法または境界要素法等を用いた解析には、市販されているソフトウエアを用いることができる。この解析により、例えば、ステップ９０１で設計したゴルフクラブヘッドの各要素の固有振動数、固有ベクトル等が得られる。固有値解析部１００は、各要素の固有振動数および固有ベクトルを、要素番号、要素の位置とともに固有値データ６１としてファイルに保存する。なお、各要素の位置は、固有値データ６１に含めずに形状データとして、別のファイルに保存してもよい。

ステップ８０１では、固有値データ入力部１１が、上記の固有値データ６１が保存されたファイルを読み込むことで、固有値データ６１が入力される。各要素の位置が形状データとして別ファイルで保存されている場合は、固有値データ入力部１１は、形状データも読み込む。

ステップ８０２で、衝撃波形データ入力部１２が、衝撃波形データ６２を入力する。衝撃波形データ６２には、例えば、振幅または力と時間によって表される加振波形データと、衝撃力が節点として作用する位置を示す加振位置データ（図示せず）が含まれる。一般的に,最大で１０ｋＮ前後の力がゴルフクラブヘッドに働く。

加振波形データは、衝撃波形データ作成部１１０で作成される（ステップ１１０１）。衝撃波形データ作成部１１０は、設計者からボールにゴルフクラブヘッドが衝突するときの速度、ボールの特性データ（例えば、ヤング率、粘性など）等の入力を受け付け、入力されたデータに基づいて、衝突応答解析により、加振波形データを算出する。衝撃波形データ作成部１１０は、算出した加振波形データと、設計者が入力した加振位置データを衝撃波形データファイルとして保存する。

また、ボールを解析対象のゴルフクラブヘッドとほぼ同程度の振動体に衝突させて、衝撃力を測定することにより、加振波形データを得ることができる。図３（ａ）は、測定によって得られた加振波形データの例である。図３（ａ）に示す加振波形データは、力（ｋＮ）を縦軸、時間（ｍｓ）を横軸とする波形で表される。

現実のボールやゴルフクラブヘッド等の振動体の剛性は、材質・物性によって千差万別であるため、振動体において打球音を発生させる源である衝撃波形も千差万別に変化する。図３（ａ）に示すように、測定により求められた波形を正確に加振波形データとして設定することにより、打球音シミュレーションの精度を高めることができる。

一方、例えば、図３（ａ）に示す測定値のように、加振波形が複雑になると、加振波形データのデータ量は大きくなる。その結果、打球音シミュレーションにおける計算負荷が高くなる。そこで、計算負荷を低減するために、入力する加振波形を、現実の衝撃波形を近似した単純な形にすることができる。すなわち、加振波形データの波形を、例えば、サインカーブ、単位衝撃波形、矩形波形またはノコギリ波形にすることができる。図３（ｂ）は、サインの半波長で表される加振波形データの例である。また、図３（ｃ）は、単位衝撃波形で表される加振波形データの例である。

このような現実の衝撃波を近似した、単純な波形を加振波形データに用いることで、計算負荷を軽くすることができる。さらに、単純な加振波形データを用いて振動体の打球音シミュレーションを行うことによって、振動体自身の振動特性がより明確に表れるという効果も奏する。

ステップ８０２では、衝撃波形データ入力部１２が衝撃波形データファイルを読み込むことで衝撃波形データ６２が入力される。あるいは、衝撃波形データ入力部１２は、直接設計者からの加振位置データ入力を受け付けてもよい。

ステップ８０３で、減衰比データ入力部１３が、減衰比データ６３を入力する。減衰比データ６３は、ゴルフクラブヘッドの場合、たとえば、０．００１〜０．５の数値である。この値は、ゴルフクラブヘッドを構成する材料や固有モード等に依存する。

減衰比データ６３は、減衰比データ作成部１２０で作成される（ステップ１２０１）。減衰比データ作成部１２０は、設計者から入力された測定値を基に減衰比データ６３を算出する。

減衰比は、全ての固有モードについて同じ値が一括して設定されてもよいが、固有モードごとに設定されてもよい。例えば、１次固有モードにおける減衰比を０．１に、その他の固有モードにおける減衰比を０．００１に設定することができる。このように、固有モードごとに減衰比を設定することにより、現実の現象に近い打球音シミュレーションが可能となる。この効果については後述する。

減衰比データ作成部１２０で作成された減衰比データは、減衰比データファイルとして保存される。ステップ８０３では、減衰比データ入力部１３が減衰比データファイルを読み込むことで減衰比データ６３が入力される。または、減衰比データ入力部１３が、直接設計者からのデータ入力を受け付けてもよい。減衰比は、固有モードごとに設定できるようにしてもよいし、全固有モードに対して一括して設定できるようにしてもよい。

ステップ８０４で、受音位置データ入力部１４が、受音位置データ６４を入力する。受音位置データ６４は例えば、図４に示すように、振動体に衝撃力が節点として作用する位置を原点として、ＸＹＺ座標で表される。図４では、直行座標で受音位置を表す場合を例示したが、極座標を用いてもよい。

受音位置データ６４は、受音位置データ作成部１３０で設計者からの入力に基づいて作成される（ステップ１３０１）。受音位置は、例えば、人間がゴルフクラブでボールを打球するときの、人間の耳の位置を想定して決められてもよい。作成された受音位置データ６４は受音位置データファイルに保存される。

ステップ８０４では、受音位置データ入力部１４が、受音位置データファイルを読み込むことによって受音位置データ６４が入力される。または、受音位置データ入力部１４が、直接設計者からのデータ入力を受け付けてもよい。

ステップ８０５で、速度分布計算部２０が、ステップ８０１で入力された固有値データ６１、ステップ８０２で入力された衝撃波形データ６２、ステップ８０３で入力された減衰比データ６３およびステップ８０４で入力された受音位置データ６４に基づいて速度応答分布６５を計算する。計算の詳細は以下のとおりである。

速度分布計算部２０は、まず、固有値データ６１に含まれる固有振動数および固有値ベクトル、衝撃波形データ６２、減衰比データ６３から固有振動数ごとに各要素の表面速度ξを計算する。次に、各要素の表面速度ξと受音位置データ６４から、各要素が表面速度ξで振動しているときの受音位置での速度ポテンシャルΦを計算する。速度ポテンシャルΦは、固有振動数ごとに各要素について計算される。ここで計算されたポテンシャルΦの集まりが、速度応答分布６５である。

計算された速度応答分布６５は記憶部７０に保存される。速度応答分布６５は、例えば、固有振動数、要素の番号および速度ポテンシャルを一組とする複数組のデータとしてファイルに保存される。

ステップ８０６で、音圧スペクトル計算部３０が、ステップ８０５で計算された速度応答分布６５に基づいて音圧スペクトル６６を計算する。計算の詳細は以下のとおりである。

まず、固有振動数ごとの各要素の速度ポテンシャルΦを微分することによって、固有振動数ごとに各要素の音圧が計算される。このとき、音が伝わる媒質（空気）の密度を考慮して計算する。次に固有振動数ごとに各要素の音圧の総和を計算する。これにより、固有振動数ごとの音圧が得られる。この音圧の集まりが音圧スペクトル６６となる。

計算された音圧スペクトル６６は記憶部７０に保存される。音圧スペクトル６６は、例えば、周波数を示す数値と、その周波数を持つ音圧を示す数値とを一組にして、ある範囲の複数の周波数について複数組のデータとして保存される。

ステップ８０７で、時系列波形計算部４０が、ステップ８０６で計算された音圧スペクトル６６に基づいて、時系列波形６７を計算する。音圧スペクトル６６は、時間についてのフーリエ積分となっているので、これを逆フーリエ演算することによって時系列波形６７が計算される。計算された時系列波形６７は、例えば、ＷＡＶＥ形式のファイルで記憶部７０に保存される。

ステップ８０８で、再生制御部５２が、ステップ８０７で計算された事例列波形６７を読み出し、再生可能となるように処理し、スピーカ５４に出力することによって再生する。なお、再生制御部５２は、設計者からの要求に応じて再生を行うことが望ましい。

設計者は、時系列波形６７すなわちゴルフクラブでボールを打った場合の打球音を聞くことができるので、自分が設計したゴルフクラブの打球音が所望の打球音かどうか判断することができる。

ステップ８０９で、表示制御部５１が、ステップ８０６で計算された音圧スペクトル６６と、ステップ８０７で計算された時系列波形６７を読み出し、表示可能となるように処理してディスプレイ５３に表示する。例えば、図５（ａ）に示すように、音圧スペクトル６６は、横軸を周波数、縦軸を対応する周波数を持つ音圧が音圧全体に対して占める割合としたグラフ上に表される。また、図５（ｂ）に示すように、時系列波形６７は、横軸を時間、縦軸を音圧の大きさとしたグラフ上に表される。

設計者は、図５（ａ）に示すような音圧スペクトル６６のグラフを見ることで、音圧スペクトル中、ピークを示す位置の周波数およびピークのとがり具合（Ｑ係数）を読み取ることができる。そのため、設計者は音圧スペクトル６６から、周波数ごとの音圧、音色および音の高さを定量的に知ることができる。特に、音圧スペクトル中のピークの位置は重要である。実質的にプレーヤに聞こえる打球音は、音圧スペクトル中でピークを示す周波数の音に限られるからである。ピーク以外の周波数の音は、ピークの周波数の音に比べて非常に小さいため、掻き消されてプレーヤの耳には聞こえないためである。

また、設計者は図５（ｂ）に示すような時系列波形６７のグラフを見ることで、打球音の持続時間、減衰の傾き、最大音圧を知ることができる。

ここで、ステップ８０２で入力される衝撃波形データと、音圧スペクトル計算（ステップ８０６）の結果との関係について説明する。図９は、入力データのうち衝撃波形データのみを変化させた場合の、音圧スペクトル計算の結果の違いを示す図である。

図９（ａ）は、図３（ａ）に示す加振波形を衝撃波形データとして入力した場合に計算される音圧スペクトルである。図３（ａ）に示す加振波形は、測定値を正確に表した波形である。図９（ｂ）は、図３（ｂ）に示す加振波形、すなわちサインカーブを衝撃波形データとして入力した場合に計算される音圧スペクトルである。図９（ｃ）は、図３（ｃ）に示す加振波形、すなわち単位衝撃波形を衝撃波形データとして入力した場合に計算される音圧スペクトルである。

図９（ａ）〜（ｂ）を比較すると、３つともほぼ同じ周波数でピークが表れている。このことは、実質的にプレーヤに聞こえる音は、３つともほぼ同じであることを意味している。したがって、サインカーブや単位衝撃波形（図３（ｂ）、（ｃ）参照）のような単純な形状で加振波形を近似することにより、精度を保ったまま、計算負荷の軽いシミュレーションを行うことができる。

例えば、設計者が、音圧スペクトルにおけるピークの位置に基づいて、打球音をもう少し高くしたいといった判断や、高い方の音を減らしたいといった判断を、様々な設計条件で繰り返し行う場合等は、入力する衝撃波形データの波形をサインカーブや単位衝撃波形（図３（ｂ）、（ｃ）参照）のような単純な形状とすることが極めて有効である。

ここで、ステップ８０３で入力される減衰比によって、音圧スペクトル計算（ステップ８０６）の結果が変化する例を説明する。図１０および図１１は、入力データのうち、減衰比データのみを変化させた場合の、音圧スペクトル計算の結果の違いを示す図である。

図１０（ａ）は、全ての固有モードの減衰比を０．００１に設定した場合に計算される音圧スペクトルである。図１０（ｂ）は、１次固有モードの減衰比を０．１に、その他の固有モードの減衰比を０．００１に設定した場合に計算される音圧スペクトルである。図１０（ｂ）に示す音圧スペクトル中楕円で囲まれた領域ｈにおいて、図１０（ａ）で表れていたピークがなくなっている。

図１０（ｃ）は、２次固有モードの減衰比を０．１に、その他の固有モードの減衰比を０．００１に設定した場合に計算される音圧スペクトルである。図１０（ｃ）に示す音圧スペクトル中楕円で囲まれた領域ｊにおいて、図１０（ａ）で表れていた溝がなくなっている。

図１１（ａ）は、３次固有モードの減衰比を０．１に、その他の固有モードの減衰比を０．００１に設定した場合に計算される音圧スペクトルである。図１１（ａ）に示す音圧スペクトル中楕円で囲まれた領域ｋにおいて、図１０（ａ）で表れていたピークがなくなっている。

図１１（ｂ）は、４次固有モードの減衰比を０．１に、その他の固有モードの減衰比を０．００１に設定した場合に計算される音圧スペクトルである。図１１（ｂ）に示す音圧スペクトル中楕円で囲まれた領域ｍにおいて、図１０（ａ）で表れていたピークがなくなっている。

図１０（ａ）〜（ｃ）および図１１（ａ）、（ｂ）に見られるように、入力される減衰比の違いは、音圧スペクトル計算の結果にピーク位置の違いとなって表れる。これは、減衰比の違いによってプレーヤに実質的に聞こえる打球音が変化することを意味している。したがって、減衰比を固有モードごとにきめ細かく設定することによって、より精度の高い打球音シミュレーションが可能になる。

再び図２を参照して、ステップ８１０で、表示制御部５１が、ステップ８０５で保存された速度応答分布６５を読み出し、３次元的表示できるように処理した上でディスプレイ５３に表示する。例えば、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、速度応答分布６５は周波数ごとに表示され、設計者は表示したい周波数を指定するこができる。図６（ａ）は、周波数が４０３０Ｈｚのモードにおける速度応答分布を表示した例である。設計者は図６（ａ）を見て、周波数が４０３０Ｈｚのモードは、クラウンｃとソールｄが変形するモードであることがわかる。図６（ｂ）は、周波数が３４３２Ｈｚのモードにおける速度応答分布を表示した例である。設計者は図６（ｂ）を見ると、周波数が３４４２Ｈｚのモードは、ソールｅが変形するモードであることがわかる。

本実施の形態によれば、設計者は、ステップ８０８で再生された打球音を聞いて、所望の打球音ではないと判断した場合、ステップ８０９で表示された音圧スペクトル６６と時系列波形６７およびステップ８１０で３次元的に表示された速度応答分布６５を見て、ゴルフクラブヘッドのどの部分にどのような変更を施せば所望の打球音を得られるかがわかる。

なお、本実施の形態にかかるシミュレーションシステムの動作において、ステップ８０８、８０９および８１０の処理は、必要に応じて省略することができる。また、ステップ８０８、８０９および８１０の処理の順序は、必要に応じて変更されてもよい。

なお、本実施の形態においては、振動体をゴルフクラブヘッドとして、ゴルフクラブでボールを打った場合の打球音についてのシミュレーションシステムを説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、振動体をバット、ラケット、スティック（ホッケー・アイスホッケー用）等その他の打球用具としてもよい。

（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態について、以下説明する。実施の形態２は、ゴルフクラブの打球音シミュレーションシステムを含むゴルフクラブの設計システムである。

本実施の形態における機能ブロック図は図１に示す実施の形態１における機能ブロック図と同じであるので、説明を省略する。

本実施の形態にかかる設計システムの動作について図１および図７を参照しながら説明する。図７は、本実施の形態にかかる設計システムの動作を示すフローチャートである。

図７において、ステップ８０１から８０９、ステップ９０１から９０２、ステップ１００１から１００２およびステップ１１０１、１２０１、１３０１は、実施の形態１と同様であるので説明は省略する。

ステップ１４１において、ステップ８０８で再生された打球音が所望のものであるかどうかの判断結果を設計システムが受け付ける。判断方法としては、再生された打球音が、「手ごたえがあるか」「頼もしいか」「爽快感があるか」など設計者が主観的に判断する方法がある。一方、他の判断方法として、打球音のラウドネスレベル、シャープネスレベルなど物理パラメータの相関解析に基づいて客観的に判断する方法もある。

ステップ１４１において、ステップ８０８で再生された打球音が所望の打球音ではない（ＮＯ）との入力があった場合、ステップ１４２で、設計者からの周波数の入力を設計システムが受け付ける。設計者は、ステップ８０９で表示される音圧スペクトルのピーク位置の周波数と、Ｑ係数等から判断して、改良したい周波数成分を決定し、その周波数での速度応答分布表示を要求することができる。

その後、ステップ８１０で、表示制御部５１が、設計者から入力された周波数の速度応答分布６５を３次元的に表示する。設計者は、表示された速度応答分布６５からゴルフクラブヘッドのどの部分の振動がその周波数成分の原因となっているのかがわかる。その結果、その周波数を変更するために、すなわち所望の音を得るためにゴルフクラブヘッドの設計をどのように変更すればよいか判断できる。

例えば、設計者が２７７１Ｈｚの音を変更したいと判断した場合、ステップ１４２で周波数として２７７１を入力し、図８（ａ）に示すような２７７１Ｈｚのモードにおける速度応答分布を３次元的に表示させる。速度応答分布の表示により、図８（ａ）中矢印ｈで示した部分が最も大きく振動していることがわかる。すなわち、図８（ａ）中矢印ｈで示した部分が動くことにより２７７１Ｈｚの音が発生していることがわかる。したがって、設計者は、図８（ａ）中矢印ｈで示した部分の肉厚が変更されるように設計データ６８を変更することによって、現在は２７７１Ｈｚで振動しているモードの周波数を変更することができることがわかる。

例えば、２７７１Ｈｚで振動しているモードの周波数を大きくしたい場合は、図８（ｂ）中矢印ｋで示した部分が肉厚になるように設計データ記憶部９１に保存されている設計データ６８を変更する。２７７１Ｈｚで振動しているモードの周波数を小さくしたい場合は、図８（ｂ）中矢印ｋで示した部分が肉薄になるように設計データ記憶部９１に保存されている設計データ６８を変更する。

設計者が、例えば、図８（ｂ）中矢印ｋで示した部分をマウス等のポインティングデバイスで指定し、設計変更命令を入力することで、設計部９０が、設計データ記憶部９１に保存されている設計データ６８の対応する部分を変更するようにしてもよい（ステップ９０１）。

変更された設計データは設計データ記憶部９１に保存される（ステップ９０２）。その後は、ステップ１００１、１００２を経て、ステップ８０１からの処理を繰り返す。以上のような処理を繰り返すことで、設計者は、ゴルフクラブの試作品を作成することなく、所望の打球音を持つゴルフクラブを設計することができる。

本実施の形態にかかる設計システムによれば、設計者は、ゴルフクラブの試作品を作成することなく打球音判断ができるので、打球音の音質改善のための研究・開発にかかる時間と費用が大幅に削減される。また、設計者は、所望の音を得るためには、どのように設計変更すればよいかを知るための客観的なデータを得ることができるので、打球音の音質改善のための研究・開発にかかる時間と費用がさらに削減される。

なお、本実施の形態においては、振動体をゴルフクラブヘッドとして、ゴルフクラブヘッドの設計システムを例示したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、バット、ラケット、スティック（ホッケー・アイスホッケー用）等その他の打球用具の設計システムも本発明に含まれる。

本発明は、試作品を作成することなく、振動体から発する音を解析するのに有用なシミュレーションシステムおよびこれを利用した設計システムとして利用可能である。

本発明の実施の形態１にかかるシミュレーションシステムおよび実施の形態２にかかる設計システムの機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるシミュレーションシステムの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における衝撃波形データを示すグラフである。 本発明の実施の形態における受音位置データを示すグラフである。 本発明の実施の形態における音圧スペクトルと時系列波形の表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態における速度応答分布の3次元的表示の例を示す図である。 本発明の実施の形態２における設計システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における速度応答分布の3次元的表示の例を示す図である。 入力データのうち衝撃波形データのみを変化させた場合の、音圧スペクトル計算の結果の違いを示す図 入力データのうち、減衰比データのみを変化させた場合の、音圧スペクトル計算の結果の違いを示す図 入力データのうち、減衰比データのみを変化させた場合の、音圧スペクトル計算の結果の違いを示す図

符号の説明

１ シミュレーションシステム
１０ 入力部
１１ 固有値データ入力部
１２ 衝撃波データ入力部
１３ 減衰比データ入力部
１４ 受音位置データ入力部
２０ 速度応答分布計算部
３０ 音圧スペクトル計算部
４０ 時系列波形計算部
５０ 出力部
５１ 表示制御部
５２ 再生制御部
５３ ディスプレイ
５４ スピーカ
７０ 記憶部
９０ 設計部
１００ 固有値解析部
１１０ 衝撃波形データ作成部
１２０ 減衰比データ作成部
１３０ 受音位置データ作成部

Claims (8)

1. 打球用具または打球用具の一部である振動体を設計する設計部と、
   前記設計部で設計された振動体の設計データを記憶するための設計データ記憶部と、
   前記設計データに基づいて前記振動体の固有値データを求める固有値解析部と、
   前記固有値解析部で求められた前記振動体の固有値データを入力する固有値データ入力部と、
   前記振動体の減衰比データを入力する減衰比データ入力部と、
   前記振動体に作用させる衝撃力の衝撃波形データを入力する衝撃波形データ入力部と、
   振動体が発する音を受音する位置を示す受音位置データを入力する受音位置データ入力部と、
   前記振動体に衝撃力が加えられた場合の速度応答分布を、少なくとも前記固有値データ、前記減衰比データ、前記衝撃波形データおよび前記受音位置データを用いて算出する速度応答分布計算部と、
   前記受音位置における音圧スペクトルを、少なくとも前記速度応答分布を用いて算出する音圧スペクトル計算部と、
   前記音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形を算出する時系列波形計算部と、
   前記音圧スペクトルおよび前記時系列波形の少なくとも１つを出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、さらに、設計者から周波数の指定を受け付け、前記振動体の前記指定された周波数における速度応答分布を３次元的表示し、
   前記設計部は、前記出力部により表示された前記速度応答分布の少なくとも一部分に対する指定を含む設計変更命令を設計者から受け付けて、前記指定された部分に対応する前記振動体の箇所の設計データを、前記設計変更命令に基づいて変更する、打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
2. 前記減衰比データは、振動体の有する固有モードごとに設定された減衰比の集合である請求項１に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
3. 前記衝撃波形データは、前記衝撃力の衝撃波形を近似したデータである請求項１に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
4. 前記衝撃波形データは、サインカーブまたは単位衝撃波形で前記衝撃波形を近似したデータである、請求項３に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
5. 前記出力部は、前記時系列波形で表される音を再生する再生部を含む請求項１に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
6. 前記出力部は、前記振動体の速度応答分布を３次元的表示する表示部を含む請求項１に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
7. 前記振動体は、ゴルフクラブのヘッドである請求項１に記載の打球用具のサウンドシミュレーションシステム。
8. 打球用具または打球用具の一部である振動体を設計する設計部と、
   前記設計部で設計された振動体の設計データを記憶するための設計データ記憶部と、
   前記設計データに基づいて前記振動体の固有値データを求める固有値解析部と、
   前記固有値解析部で求められた前記振動体の固有値データを入力する固有値データ入力部と、
   前記振動体の減衰比データを入力する減衰比データ入力部と、
   前記振動体に作用させる衝撃力の衝撃波形データを入力する衝撃波形データ入力部と、
   前記振動体が発する音を受音する位置を示す受音位置データを入力する受音位置データ入力部と、
   前記振動体に衝撃力が加えられた場合の、速度応答分布を、少なくとも前記固有値データ、前記減衰比データ、前記衝撃波形データおよび前記受音位置データを用いて算出する速度応答分布計算部と、
   前記受音位置における音圧スペクトルを、少なくとも前記速度応答分布を用いて算出する音圧スペクトル計算部と、
   前記音圧スペクトル計算結果から音圧の時系列波形を算出する時系列波形計算部と、
   前記音圧スペクトルおよび前記時系列波形の少なくとも１つを出力する出力部とを備え、
   前記出力部は、さらに、設計者から周波数の指定を受け付け、前記振動体の前記指定された周波数における速度応答分布を３次元的表示し、
   前記設計部は、前記出力部により表示された前記速度応答分布の少なくとも一部分に対する指定を含む設計変更命令を設計者から受け付けて、前記指定された部分に対応する前記振動体の箇所の設計データを、前記設計変更命令に基づいて変更する、打球用具の設計システム。