JP4946117B2 - 波形合成装置およびそのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるエンジンのエンジン音を合成する技術に関する。

カーレーシングのシミュレーションゲーム等において再生する目的で、エンジン音を擬似的に合成する技術が提案されている。例えば、特許文献１および２には、実機のエンジン音の波形を、エンジン回転速度等の走行状態に応じて複数記憶しておき、ユーザの操作に応じて適する波形を読み出して再生する技術が開示されている。
特開２０００−１０５７６号公報 特開２００５−１２８２６２号公報

また、非特許文献１には、エンジンの試作機を実際に製造して稼働させることなくそのエンジン音のシミュレーションを行う技術の開示がある。同文献に開示された技術は、既存の単気筒エンジン音の波形（１サイクル分の単発音）を連続させたものを複数重ね合わせることにより、多気筒エンジンのエンジン音を擬似的に合成するものである。
前田 修、「エンジン音質のバーチャル評価技術」、日本音響学会誌、日本音響学会、平成１５年、５９巻、５号、ｐ．ｐ．２８８−２９３

ところで、エンジンの駆動に伴い発生するエンジン音には、シリンダ内への吸気により発生する吸気音、吸気後の点火により発生する爆発音、点火後の排気により発生する排気音などの各種音要素が含まれている。しかしながら、上記文献に開示された技術は、それらの音要素が混ざり合った状態でサンプリングされた音波形の合成や加工を行うに止まるものであるため、エンジンの各設計条件の変更がそのエンジン音を成す音要素の各々の波形に個別に及ぼす影響まで加味したシミュレーションを行うことはできなかった。
本発明は、このような背景の下に案出されたものであり、エンジンの各設計条件の変更がそのエンジン音を成す音要素の各々の波形に個別に及ぼす影響を加味したシミュレーションを実現することを目的とする。

本発明の好適な態様である波形合成装置は、車両に搭載されるエンジンのエンジン音を成す各音要素の音要素波形をそれぞれ示す要素別原波形データを取得する取得手段と、前記取得された各要素別原波形データの各々が示す音要素波形をそれぞれ複数連続させることにより音要素連続波形を生成する連続波形生成手段と、前記連続波形生成手段により生成された音要素連続波形の各々に車両の走行状態に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第１の周波数特性変更手段と、前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に、前記エンジンの物理的属性に応じた揺らぎ幅を持つ振幅方向および時間方向の伸縮をそれぞれ付加する揺らぎ付加手段と、前記揺らぎ付加手段により振幅方向および時間方向の伸縮の付加された音要素連続波形の各々に前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第２の周波数特性変更手段と、前記第２の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た各音要素連続波形を重ね合わせることによってエンジン音の波形を生成する波形重合手段とを備える。

この態様において、前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性をそれぞれ示す各伝達特性値を、前記第２の周波数特性変更手段による周波数特性の変更内容を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、伝達特性値を入力する入力手段とを更に備え、前記第２の周波数特性変更手段は、前記入力された伝達特性値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記揺らぎ付加手段による振幅方向および時間方向の伸縮の付加を経た音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に個別の周波数特性の変更を付加するようにしてもよい。

また、前記エンジンの物理的属性をそれぞれ示す各物理的属性値を、前記揺らぎ付加手段により付加される振幅方向および時間方向の伸縮の揺らぎ幅を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、物理的属性値を入力する入力手段とを更に備え、前記揺らぎ付加手段は、前記入力された物理的属性値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に振幅方向および時間方向の伸縮を個別に付加するようにしてもよい。

また、車両の走行状態をそれぞれ示す走行状態値を、前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更内容を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、走行状態値を入力する入力手段とを更に備え、前記第１の周波数特性変更手段は、前記入力された走行状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記連続波形生成手段により生成された音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に個別の周波数特性の変更を付加するようにしてもよい。

また、前記波形重合手段は、前記生成したエンジン音の波形と同一の又はその波形と所定の相関を持つ複数の波形を生成し、当該エンジン音の波形と前記生成した複数の各波形を時間方向の所定のオフセットを持たせた上で重ね合わせることにより多気筒エンジンのエンジン音を生成するようにしてもよい。

本発明の別の好適な態様であるプログラムは、コンピュータに、車両に搭載されるエンジンのエンジン音を成す各音要素の音要素波形をそれぞれ表す要素別原波形データを取得する取得機能と、前記取得された各要素別原波形データの各々が示す音要素波形を複数連続させることにより音要素連続波形をそれぞれ生成する連続波形生成機能と、前記連続波形生成機能により生成された音要素連続波形の各々に車両の走行状態に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第１の周波数特性変更機能と、前記第１の周波数特性変更機能による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に、前記エンジンの物理的属性に応じた揺らぎ幅を持つ振幅方向および時間方向の伸縮をそれぞれ付加する揺らぎ付加機能と、前記揺らぎ付加機能による振幅方向および時間方向の伸縮の付加を経た音要素連続波形の各々に前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第２の周波数特性変更機能と、前記第２の周波数特性変更機能による周波数特性の変更を経た各音要素連続波形を重ね合わせることによってエンジン音の波形を生成する波形重合機能とを実現させる。

本発明によると、エンジンの設計条件の変更がそのエンジン音を成す音要素の各々の波形に個別に及ぼす影響を加味したシミュレーションを実現することができる。

（発明の実施の形態）
本発明の実施形態について説明する。
まず、本実施形態を理解する前提となる原理である単発音制御再生法について説明する。この方法は、単気筒エンジンの単発音を用いて多気筒エンジンの音を合成する方法の１つである。以降の説明は、車両の代表的なエンジン駆動方式の一つである４気筒４ストロークエンジンを例にとり行う。

単発音制御再生法においては、まず単気筒エンジンの単発音（以下、単に「単発音」と呼ぶ）の波形が準備される。４ストロークエンジンの気筒は、燃料の吸気、燃料の圧縮、燃料の点火による爆発、爆発後の排気、の４段階を繰り返すことによりクランクシャフトを押し回し駆動する。単発音は、エンジンの１気筒がこれらの４段階１セットの動作を行う際に発する音である。単発音の波形は、例えば実機を運転させた際の音を録音することにより得られる。
単発音の波形が得られると、その波形を連ねることにより、エンジンの１気筒が継続して運転された場合に発する音（以下、「連続音」と呼ぶ）が合成される。図１は連続音が合成される様子を示した図である。図１の左図は、最大振幅がＡ０、時間がＴ０（秒）である単発音の波形を例示している。連続音の合成においては、この原波形である単発音の波形に振幅方向および時間方向の伸縮を加えたものが順次連結される。なお、連結の際には、連結部の不連続により発生するノイズを低減するために窓関数を乗じる処理を加えることが望ましい。
単発音制御再生法においては、単発音からより自然な連続音を得るために、各原波形に対し加えられる伸縮の程度に所定の揺らぎを加える。その結果、連続音を構成する各単発音の振幅および時間はそれぞれ微小に異なるものとなる。

図１の右図は８つの単発音を連結して連続音が生成された様子を示しており、連続音に含まれる各単発音の振幅および時間は揺らぎの付加により順にＡ１〜Ａ８およびＴ１〜Ｔ８（秒）と各々異なっている。
上記のように合成される連続音に含まれる単発音の長さは原波形の時間Ｔ０を中心として揺らぐため、連続音の周期はＴ０（秒）であり、その基音はｆ０＝１／Ｔ０（Ｈｚ）である。なお、４ストロークエンジンの場合、吸気、圧縮、爆発、排気の４段階においてクランクシャフトが２回転するため、エンジンの回転数をｒ（ｒｐｍ）とすると、周期Ｔ０＝（２×６０）／ｒ（秒）である。

続いて、４気筒エンジンの音を合成するために、上記のように合成して得られる連続音、すなわち１気筒の発する音を、４つ重ね合わせて重合音を合成する。この重ね合わせの際、各連続音に順次、Ｔ０／４（秒）のオフセット時間を加える。すなわち、第２の連続音の開始時刻はＴ０／４秒だけ第１の連続音の開始時刻より遅れ、第３の連続音の開始時刻はＴ０／４秒だけ第２の連続音の開始時刻より遅れ、第４の連続音の開始時刻はＴ０／４秒だけ第３の連続音の開始時刻より遅れる。図２は連続音の重合により重合音が合成される様子を示した図である。
上記のように合成される重合音においては、時間Ｔ０／４（秒）ごとにほぼ同じ波形が繰り返される。従って、重合音の周期はＴ＝Ｔ０／４（秒）、その基音はｆ＝ｆ０×４（Ｈｚ）となる。このように合成される重合音が、単発音制御再生法により生成される４気筒４ストロークエンジンの音である。

なお、エンジンが自動車に搭載された際の音を模すために、上記のように生成されたエンジン音に対し、さらにロードノイズ、風切り音、ファン騒音等を示すノイズ波形が重合されてもよい。

続いて、本願発明者らが単発音制御再生法を用いて行った実験およびその結果を以下に示す。まず、本願発明者らは、連続音の合成において原波形の単発音に加えられる振幅方向および時間方向の伸縮の揺らぎ（以下、それぞれ「振幅揺らぎ」および「時間揺らぎ」と呼ぶ）が、最終的に得られる重合音にどのように影響するかを実験により確認した。図３はその実験の結果を示したグラフである。
図３（Ａ−１）および図３（Ａ−２）は、連続音の合成において、振幅揺らぎおよび時間揺らぎを全く加えない場合、すなわち連続音の合成に原波形をそのまま用いた場合に得られる重合音の波形および周波数特性をそれぞれ示している。また、図３（Ｂ−１）および図３（Ｂ−２）は、連続音の合成において、振幅揺らぎのみを加え、時間揺らぎを全く加えない場合に得られる重合音の波形および周波数特性をそれぞれ示している。さらに、図３（Ｃ−１）および図３（Ｃ−２）は、連続音の合成において、振幅揺らぎおよび時間揺らぎの両方を加えた場合に得られる重合音の波形および周波数特性をそれぞれ示している。

図３より、振幅揺らぎおよび時間揺らぎの付加により、重合音の周波数特性における振幅の山と谷との差が小さくなることが確認される。周波数特性における振幅の山は基音の整数倍音に対応し、振幅の山と谷との差が大きいほど純音性の高い音、いわゆる輪郭のはっきりした音となる。このことから、連続音の合成において原波形に加える振幅揺らぎおよび時間揺らぎの程度を調整することにより、重合音の純音性を変化させることが可能となることが判明した。
図４は、揺らぎの付加が重合音の音響特性に与える影響を確認するために行った別の実験結果を示すソナグラフである。図４（Ａ）および図４（Ｂ）の縦軸は周波数、横軸は時間を示している。ただし、図４（Ａ）および図４（Ｂ）の作成に用いた重合音においては、回転数ｒが１０００回転／秒の割合で増加する場合のエンジン音を模すように、徐々に増加する縮小率で時間方向に縮小された単発音が連結された連続音が重合されている。従って、図４（Ａ）および図４（Ｂ）の横軸の値に１０００を乗じたものは、エンジンの回転数ｒに相当する。

図４（Ａ）の作成に用いた重合音においては、連続音の合成時に振幅揺らぎおよび時間揺らぎのいずれも付加されていない。一方、図４（Ｂ）の作成に用いた重合音においては、振幅揺らぎは付加されていないが、規則的な時間揺らぎが付加されている。具体的には、重合に用いられた連続音を構成する単発音の原波形に対する時間方向の伸縮率が、先頭から順に０．９、１．０５、０．９５および１（以下、繰り返し）となっている。
図４（Ａ）においては、グラフの左下から右上に向かいほぼ直線上に並んだ周波数成分の山が明確に確認される。ソナグラフに現れるこれらの直線はグラフの下から順次、回転２次、回転４次、回転６次、・・・の成分を示す直線と呼ばれ、これらの回転整数次の直線が明確である程、ソナグラフに示される周波数成分のピークが鋭いことが見てとれる。これに対し、図４（Ｂ）においては、回転整数次の直線が図４（Ａ）のものと比較して明確でなく、ソナグラフに示される周波数成分のピークが鋭くないことが見てとれる。

なお、経験上、エンジンの気筒数を２で除した次数に対応する直線が明確である程、聞き手にとってエンジンが快調に回っている、という印象を与えることが知られている。この気筒数を２で除した次数は爆発１次とも呼ばれる。例えば４気筒エンジンの場合、爆発１次は回転２次である。
図４（Ａ）および図４（Ｂ）より、単発音に揺らぎを与えた場合は揺らぎを与えない場合と比較し、最終的に合成される重合音の回転整数次の周波数成分が際立っておらず、爆発１次の成分も他の成分と比較し顕著に現れず、聞き手にとってはあまり快調に回っていないエンジンの音と感じられることが分かる。

本願発明の実施形態の説明に移る。
本実施形態にかかる波形合成装置は、上述した単発音制御再生方法をエンジン設計時におけるエンジン音のシミュレーションに応用したものであり、その特徴は、エンジンの回転数や車速などといった走行状態、クランクシャフトの角度や点火プラグの点火タイミングなどといったエンジンの物理的属性、車室内遮音性やエンジンと車室内の距離などといったエンジンから車室内に至る音の伝達特性に関する設計条件の入力を受け付け、入力された設計条件でエンジンを製作したときに発生するであろうエンジン音を各種音波形を基に合成して出力するようにした点にある。

図５は、波形合成装置を含む波形合成システムの構成を示したブロック図である。
波形合成システムは、波形合成装置１と、ユーザの操作に応じた信号を波形合成装置１に出力するポインタデバイスであるマウス２と、波形合成装置１から出力される音波形を増幅するアンプ３と、アンプ３から出力される音波形を音に変換するスピーカ４と、波形合成装置１が出力する描画データに応じて画像や文字を表示するディスプレイ５とを備えている。

波形合成装置１の記憶部１００は、波形合成装置１の他の構成部が利用する各種データを一時的に記憶するとともに、波形合成装置１に対しユーザがデータ入力を行うための画面およびユーザに対し処理結果を通知するための画面の構成を定義したデータ（以下、「画面定義データ」と呼ぶ）を記憶している。画面定義データは、画面上に表示される各種入力欄やコマンドボタン等のオブジェクトの属性を示すデータの集まりであり、ユーザはマウス２を用いた操作によりオブジェクトに対しデータ入力を行うことができ、入力されたデータもまた、オブジェクトの属性として記憶部１００に記憶される。

更に、記憶部１００は、要素別原波形データベース（以下、「ＤＢ」と呼ぶ）１００１、第１対応関係ＤＢ群１００２、第２対応関係ＤＢ群１００３、第３対応関係ＤＢ群１００４、第４対応関係ＤＢ群１００５を記憶する。

図６は、要素別原波形ＤＢ１００１の構成を模式的に示した図である。
図に示すように、このＤＢの第１欄には、６００ｒｐｍ、７００ｒｐｍ、８００ｒｐｍ・・・といったように１００ｒｐｍ毎のエンジン回転数を示す回転数値が記憶される。第２欄乃至第４欄の各々には、要素別原波形データが記憶される。要素別原波形データは、単発音を成す要素である、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々の、単発音１つ分の時間長に相当する波形を示すデータである。第２欄乃至第４欄に記憶される各要素別原波形データは、単気筒エンジン（実機）を各回転数で駆動させて収録した単発音から、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々に相当する波形を切り出すことにより得たものであってもよいし、ランダムノイズに対し、実際のエンジンの単発音に含まれる吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々と同様の周波数特性を与えるべくイコライザ等を通じたフィルタ処理を加えることにより得たものであってもよい。

図７は、第１対応関係ＤＢ群１００２の構成を例示した図である。
第１対応関係ＤＢ群１００２は、上述したエンジン回転数やアクセル開度など、エンジンを搭載する車両の走行状態を決定付ける属性と各々対応するＤＢの集合体である。図に示すように、各ＤＢの第１欄には、エンジン回転数やアクセル開度などの走行状態を定量的に示す走行状態値が記憶される。そして、第２欄乃至第４欄には、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々と対応する周波数変更パラメータが記憶される。周波数変更パラメータは、所定の周波数帯域毎の振幅レベルの増減率をそれぞれ表したパラメータである。具体的には、６３Ｈｚ、１２５Ｈｚ、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、８ｋＨｚ、１６ｋＨｚをそれぞれ中心周波数とする周波数帯域毎の増減率を示す値を取り纏めたものである。

図８は、第２対応関係ＤＢ群１００３の構成を例示した図である。
第２対応関係ＤＢ群１００３は、エンジンに内蔵される点火プラグの点火タイミング、クランクシャフト角度、ピストン角度、バルブの開閉タイミング、吸気管の集合点までの長さ、排気管の集合点までの長さ、燃料噴射量、吸気量など、エンジン自体の物理的属性と各々対応するＤＢの集合体である。図に示すように、各ＤＢの第１欄には、エンジンの物理的属性を定量的に示す物理的属性値が記憶される。そして、第２欄乃至第４欄には、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々と対応する振幅揺らぎパラメータと時間揺らぎパラメータの対が記憶される。両パラメータは、時間揺らぎの程度と振幅揺らぎの程度をそれぞれ示すパラメータである。

時間揺らぎの程度は、連続する単発音の各々の時間方向の伸縮の程度のことであり、以下の式１によりｅＴとして求められる。
ｅＴ＝（Ｔｍａｘ−Ｔａｖｅ）÷Ｔａｖｅ×１００ ・・・（式１）。
この式１において、Ｔａｖｅは単発音を連続させた音波形の単発音１つあたりの時間長の平均を、Ｔｍａｘはそれらのうちの最大の時間長を表している。
例えば、４ストロークエンジンの場合であれば、エンジン回転数が１０００ｒｐｍであれば単発音１つの時間長は１２０ミリ秒となるが、「時間揺らぎの程度」１．０％はその時間長が約１１８．８ミリ秒〜１２１．２ミリ秒の範囲で揺らぐことを示している。

振幅揺らぎの程度は、連続する単発音の各々の振幅方向の伸縮の程度のことであり、以下の式２によりｅＡ（％）として求められる。
ｅＡ＝（Ａｍａｘ−Ａａｖｅ）÷Ａａｖｅ×１００ ・・・（式２）。
この式２において、Ａａｖｅは単発音を連続させた音波形の単発音１つあたりの最大振幅の平均を、Ａｍａｘはそれらのうち最大の振幅幅を表している。
例えば、連続する単発音の各々の最大振幅が１００であり、「振幅揺らぎの程度」１．０％は、単発音の最大振幅が約９９〜１０１の範囲で揺らぐことを示している。

図９は、第３対応関係ＤＢ群１００４の構成を例示した図である。
第３対応関係ＤＢ群１００４は、車室内遮音性やエンジンと車室内の距離など、エンジンから車室内に至る音の伝達特性を決定付ける属性と各々対応するＤＢの集合体である。図に示すように、各ＤＢの第１欄には、そのような伝達特性を定量的に示す伝達特性値が記憶される。一方、第２欄乃至第４欄には、第１対応関係ＤＢ群１００２と同様に、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々と対応する個別の周波数変更パラメータが記憶される。

図１０は、第４対応関係ＤＢ群１００５の構成を例示した図である。
第４対応関係ＤＢ群１００５は、第２対応関係ＤＢ群１００３と同様に、エンジン自体の物理的属性と各々対応するＤＢの集合体である。図に示すように、各ＤＢの第１欄には、エンジンの物理的属性を定量的に示す物理的属性値が記憶される一方、第２欄には、オフセットパラメータが記憶される。オフセットパラメータは、オフセットの程度を示すパラメータである

オフセットの程度は、エンジンの第１気筒の単発音の開始タイミングを基準とした場合におけるその後段の第２乃至第４気筒の単発音の開始タイミングのオフセットのことであり、例えば、第１気筒に対する第２気筒のオフセットであれば、第１気筒の連続する所定数ｎの単発音の開始タイミングをｉ１（１）、ｉ１（２）、ｉ１（３）・・・ｉ１（ｎ）とし、それらに続く第２気筒の単発音の開始タイミングをそれぞれｉ２（１）、ｉ２（２）、ｉ２（３）・・・ｉ２（ｎ）とする以下の式によりｓ（無単位）として求められる。
Ｉｓｔｄ＝（ｉ１（ｎ）−ｉ１（１））÷（ｎ−１）÷２ ・・・（式３）。
Ｉｏｓｔ＝｛（ｉ２（１）−ｉ１（１））＋（ｉ２（２）−ｉ１（２））＋ ・・・ ＋（ｉ２（ｎ）−ｉ１（ｎ））｝÷（ｎ−１） ・・・（式４）。
ｓ＝Ｉｏｓｔ÷Ｉｓｔｄ ・・・（式５）。
ここで、式３により求められるＩｓｔｄは、第１気筒の単発音と第２気筒の単発音が交互に等しい時間間隔で開始する場合（以下、「通常の場合」と呼ぶ）における第１気筒の単発音と第２気筒の単発音の開始タイミングとの時間間隔を示している。これに対し、式４により求められるＩｏｓｔは実際の第１気筒の単発音の開始タイミングとその後に続く第２気筒の単発音の開始タイミングとの時間間隔の平均値を示している。
従って、式５により求められるｓは、第２気筒の単発音の開始タイミングが通常の場合よりも早い場合に１未満となり、第２気筒の単発音の開始タイミングが通常の場合よりも遅い場合に１より大きくなる。例えば「オフセットの程度」が１．０１であれば、第２気筒の単発音の開始タイミングが全体として通常の場合より約１％、遅れていることになる。第３気筒及び第４気筒の単発音の開始タイミングのオフセットも上記式に従って同様に求めることが可能である。

ここで、本装置１は、４気筒４ストロークのエンジン音の合成を行うため、第４対応関係ＤＢ群１００５をなす各ＤＢの第２欄に記憶されるオフセットパラメータの各々は、（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）＝（０．９７，１．０５，１．０２）のような形式の値となっている。
Ｉ１は、通常の場合、すなわち各気筒の単発音の開始タイミングが等間隔の場合のその間隔を１とした場合における、第１気筒と第２気筒の単発音の開始タイミングの間隔を示している。同様に、Ｉ２は第２気筒と第３気筒の単発音の開始タイミングの間隔を示し、Ｉ３は第３気筒と第４気筒の単発音の開始タイミングの間隔を示している。通常の場合の各気筒の単発音の開始タイミングの間隔は、単発音１つに相当する音波形の時間長を気筒数である４で除した長さである。なお、第４気筒と第１気筒の単発音の開始タイミングの間隔は、４−（０．９７＋１．０５＋１．０２）＝０．９６のように、Ｉ１〜Ｉ３により自動的に定まる。

図５に戻り、波形合成装置１の構成の説明を続ける。
波形合成装置１は、ユーザによるマウス２の操作内容に応じて生成した、走行状態値、物理的属性値、及び伝達特性値を記憶部１００に記憶させる入力部１０１と、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各要素別原波形データのセットを要素別原波形ＤＢ１００１から選択する原波形選択部１０２と、選択されたセットの各要素別原波形データの周期を走行状態値が示す回転数に応じて伸縮する周期変更部１０３とを備えている。
更に、波形合成装置１は、記憶部１００に記憶されている画面定義データに基づき画面を示す描画データを生成しディスプレイ５に対し出力する画面生成部１０４のほか、単気筒連続波形生成部１０５、多気筒連続波形生成部１０６、及びＤ／Ａコンバータ１０７を備える。

単気筒連続波形生成部１０５は、周期変更部１０３による周期の伸縮を経た各要素別原波形データを複数連続させた上で重ね合わせることで、単気筒のエンジン音に相当する一連の波形データ（以下、「単気筒連続波形データ」と呼ぶ）を生成するようになっており、第１複製処理部１０５１、第１周波数特性変更部１０５２、時間揺らぎ付加部１０５３、振幅揺らぎ付加部１０５４、第２周波数特性変更部１０５５、連結処理部１０５６、及び第１重合処理部１０５７の各部を有する。これらのうち第１重合処理部１０５７を除いた各部は、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々に応じて３セット設けられている。
後の動作説明の項にて詳述するように、周期変更部１０３による周期の伸縮を経た、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各要素別原波形データは、第１複製処理部１０５１により所定回数に渡って複製されて第１周波数特性変更部１０５２へ順次供給される。そして、第１周波数特性変更部１０５２へ順次供給される要素別原波形データは、同部１０５２による１度目の周波数特性の変更、時間揺らぎ付加部１０５３による時間方向の伸縮の付加、振幅揺らぎ付加部１０５４による振幅方向の伸縮の付加、更には、第２周波数特性変更部１０５５による２度目の周波数特性の変更を経た後、連結処理部１０５６にて、吸気音、エンジン爆発音、排気音の連続波形データへと連結され、それらの連続波形データが第１重合処理部１０５７にて１つの単気筒連続波形データへとミキシングされて多気筒連続波形生成部１０６へ供給される。

多気筒連続波形生成部１０６は、単気筒連続波形生成部１０５により生成された単気筒連続波形データを複製し、時間軸上のオフセットを付与しつつそれらを重ね合わせることで、４気筒のエンジン音に相当する一連の波形データ（以下、「多気筒連続波形データ」と呼ぶ）を生成するようになっており、第２複製処理部１０６１と、オフセット付加部１０６２と、第２重合処理部１０６３の各部を有する。後の動作説明の項にて詳述するように、第２複製処理部１０６１は、単気筒連続波形データの複製を３回に渡って行うことにより、第１乃至第４の４つの単気筒連続波形データを生成する。そして、第２乃至第４の単気筒連続波形へオフセット付加部１０６２により時間軸上の個別のオフセットが付加された後、第２重合処理部１０６３にて１つの多気筒連続波形データへとミキシングされてＤ／Ａコンバータ１０７へ供給される。
Ｄ／Ａコンバータ１０７は、多気筒連続波形生成部１０６により生成された多気筒連続波形データ（デジタルデータ）をアナログデータに変換してアンプ３に出力する。

続いて、波形合成システムの動作を説明する。ユーザにより波形合成装置１の起動操作が行われると、波形合成装置１の画面生成部１０４は、記憶部１００からデータ入力用の画面定義データを読み出して画面を示す描画データを生成し、ディスプレイ５に出力する。その結果、ディスプレイ５にデータ入力用画面が表示される。

図１１は、ディスプレイ５に表示されるデータ入力用画面を例示した図である。
データ入力用画面には、走行状態入力欄５１、物理的属性入力欄５２、及び伝達特性入力欄５３のほか、エンジン音の波形合成の開始と終了を指示するための両コマンドボタン５４及び５５が含まれている。
このデータ入力用画面が表示されると、ユーザは、マウス２の操作を通じて各入力欄へ各種情報の入力を行う。具体的には、アクセル開度とエンジン回転数の設定を走行状態入力欄５１へ入力し、バンク角、クランクシャフト角、点火プラグに対する点火タイミング、バルブの点火タイミング、吸気／排気管の集合するまでの長さ、バルブの開閉タイミング、燃料噴射量、吸気量の設定を物理的属性入力欄５２に入力し、更に、車室内遮音性、エンジンと車室内の距離の設定を伝達特性入力欄５３に入力する。

各入力欄への入力が成されると、入力部１０１は、その入力内容に応じて生成した走行状態値、物理的属性値、及び伝達特性値を記憶部１００に記憶させる。
各入力欄への入力を行なったユーザは、マウス２の操作を通じてコマンドボタン５４をクリックする。このクリック操作に応じて、波形合成装置１の原波形選択部１０２〜Ｄ／Ａコンバータ１０７はエンジン音の合成処理およびその出力処理を開始する。

まず、原波形選択部１０２は、記憶部１００に記憶されている走行状態値が示すエンジン回転数に最も近い回転数に対応する要素別原波形データのセットを要素別原波形ＤＢ１００１の中から選択する。
要素別原波形データのセットが選択されると、周期変更部１０３は、記憶部１００に記憶されている走行状態値が示すエンジン回転数に合わせてそのセットの全要素別原波形データの周期を伸縮して第１複製処理部１０５１へそれぞれ供給する。例えば、走行状態入力欄５１にて入力された回転数が６２０ｒｐｍである場合、原波形選択部１０２により６００ｒｐｍに対応する要素別原波形データのセットが選択され、周期変更部１０３は６００／６２０の伸縮率でそのセットの要素別原波形データの周期を伸縮することにより、各々が６２０ｒｐｍに対応する要素別原波形データを取得する。そして、吸気音の要素別原波形データを第１複製処理部１０５１ａへ、エンジン爆発音の要素別原波形データを第１複製処理部１０５１ｂへ、排気音の要素別原波形データを第１複製処理部１０５１ｃへそれぞれ供給する。

第１複製処理部１０５１は、周期変更部１０３から供給される周期伸縮済みの要素別原波形データを複製して第１周波数特性変更部１０５２へ順次供給する。
第１周波数特性変更部１０５２は、第１複製処理部１０５１から供給される要素別原波形データの周波数特性を第１対応関係ＤＢ群１００２の周波数変更パラメータに応じて変更した上で時間揺らぎ付加部１０５３へ供給する。周波数特性の変更の手順の詳細について、吸気音の要素別原波形データの供給を受ける第１周波数特性変更部１０５２ａを例にとって説明する。

第１周波数特性変更部１０５２ａは、記憶部１００に記憶された走行状態値と対応するレコードを第１対応関係ＤＢ群１００２を成す各ＤＢからそれぞれ特定し、特定したレコードの第２欄のフィールドに記憶されている周波数変更パラメータをそれぞれ読み出す。次に、読み出した各周波数パラメータにより表される振幅レベルの増減率の値を同じ周波数帯域毎に掛け合わせる。そして、掛け合せにより求まった各値をフィルタ係数として設定したバンドパスフィルタを用いて要素別原波形データを濾波することにより、その周波数特性を変更するのである。
エンジン爆発音の要素別原波形データの供給を受ける第１周波数特性変更部１０５２ｂ、及び排気音の要素別原波形データの供給を受ける第１周波数特性変更部１０５２ｃによる周波数特性の変更の手順も、ＤＢの第３欄、第４欄の周波数変更パラメータを用いる点を除いて同様である。

時間揺らぎ付加部１０５３は、第１周波数特性変更部１０５２から供給される要素別連続波形データに時間揺らぎを付加して振幅揺らぎ付加部１０５４へ供給する。時間揺らぎの付加の手順の詳細について、吸気音の要素別原波形データの供給を受ける時間揺らぎ付加部１０５３ａを例にとって説明する。
まず、時間揺らぎ付加部１０５３ａは、−１〜＋１の間で変化する乱数列を生成すると共に、記憶部１００に記憶された物理的属性値と対応するレコードを第２対応関係ＤＢ群１００３を成す各ＤＢからそれぞれ特定し、特定したレコードの第２欄のフィールドに記憶されている時間揺らぎのパラメータをそれぞれ読み出す。次に、時間揺らぎ付加部１０５３ａは、読み出した時間揺らぎのパラメータを掛け合わせ、掛け合せにより求まった値を乱数列を成す各乱数値に乗じた上で１を加える。その結果、例えば、掛け合わせにより求まった時間揺らぎの程度が３％である場合、−０．９７〜＋１．０３の間で変化する乱数列が生成されることになる。
更に、時間揺らぎ付加部１０５３ａは、自身に順次供給される要素別原波形データを、乱数列に含まれる乱数の各々に応じた伸縮率で時間方向に伸縮する処理を繰り返していく。例えば、乱数列として０．９８２、１．０２１、０．９９７、・・・が生成された場合、第１周波数特性変更部１０５２から供給される要素別連続波形データを時間方向に０．９８２倍、１．０２１倍、０．９９７倍、・・・に伸縮した一連の要素別連続波形データが得られることになる。
エンジン爆発音の要素別原波形データの供給を受ける時間揺らぎ付加部１０５３ｂ、及び排気音の要素別原波形データの供給を受ける時間揺らぎ付加部１０５３ｃによる時間揺らぎの付加の手順も、ＤＢの第３欄、第４欄の時間揺らぎのパラメータを用いる点を除いて同様である。

振幅揺らぎ付加部１０５４は、時間揺らぎ付加部１０５３から供給される要素別連続波形データに振幅揺らぎを付加して第２周波数特性変更部１０５５へ供給する。振幅揺らぎの付加の手順の詳細について、吸気音の要素別原波形データの供給を受ける振幅揺らぎ付加部１０５４ａを例にとって説明する。
まず、振幅揺らぎ付加部１０５４ａは、−１〜＋１の間で変化する乱数列を生成すると共に、記憶部１００に記憶された物理的属性値と対応するレコードを第２対応関係ＤＢ群１００３を成す各ＤＢからそれぞれ特定し、特定したレコードの第２欄のフィールドに記憶されている振幅揺らぎのパラメータを読み出す。次に、振幅揺らぎ付加部１０５４ａは、読み出した振幅揺らぎのパラメータを掛け合わせ、掛け合せにより求まった値を乱数列を成す各乱数値に乗じた上で１を加える。そして、自身に順次供給される要素別原波形データを、その乱数列に含まれる乱数の各々に応じた伸縮率で振幅方向に伸縮する処理を繰り返していく。
エンジン爆発音の要素別原波形データの供給を受ける振幅揺らぎ付加部１０５４ｂ、及び排気音の要素別原波形データの供給を受ける振幅揺らぎ付加部１０５４ｃによる振幅揺らぎの付加の手順も、ＤＢの第３欄、第４欄の振幅揺らぎのパラメータを用いる点を除いて同様である。

第２周波数特性変更部１０５５は、振幅揺らぎ付加部１０５４から供給される要素別原波形データの周波数特性を第３対応関係ＤＢ群１００４の伝達特性と対応する周波数変更パラメータに応じて変更した上で連結処理部１０５６へ供給する。周波数特性の変更の手順は、第３対応関係ＤＢ群１００４の周波数特性変更パラメータを作用させる点を除いて第１周波数特性変更部１０５２のそれと同様である。

連結処理部１０５６は、第２周波数特性変更部１０５５から供給される一連の要素別原波形データに窓関数を乗じたものを連結して得た連続波形データを第１重合処理部１０５７へ供給する。
第１重合処理部１０５７は、連続処理部から供給される、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各々の連続波形データをミキシングして得た単気筒連続波形データを第２複製処理部１０６１へ供給する。
第２複製処理部１０６１は、第１重合処理部１０５７から供給される単気筒連続波形データを３回に渡って複製することにより第１乃至第４の単気筒連続波形データを生成する。そして、第１の単気筒連続波形データを第２重合処理部１０６３へ供給する一方、第２の単気筒連続波形データをオフセット付加部１０６２ａへ、第３の単気筒連続波形データをオフセット付加部１０６２ｂへ、第４の単気筒連続波形データをオフセット付加部１０６２ｃへそれぞれ供給する。

オフセット付加部１０６２は、第２複製処理部１０６１から供給される単気筒連続波形データに時間方向のオフセットを付加してから第２重合処理部１０６３へ供給する。オフセットの付加の手順の詳細について、第２の単気筒連続波形データの供給を受けるオフセット付加部１０６２ａを例にとって説明する。
まず、オフセット付加部１０６２ａは、記憶部１００に記憶された物理的属性値と対応するレコードを第４対応関係ＤＢ群１００５を成す各ＤＢからそれぞれ特定し、特定したレコードの第２欄のフィールドに記憶されている各オフセットパラメータを読み出す。上述したように、第４対応関係ＤＢ群１００５の各ＤＢから読み出されるオフセットパラメータは、（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）＝（０．９７，１．０５，１．０２）のような形式の値となっている。オフセット付加部１０６２ａは、読み出したオフセットパラメータのＩ１の値を掛け合わせ、掛け合せにより求まったＩ１と、単発音に相当する音波形の長さを気筒数の４で序した長さであるＤの積を求める。更に、その積の時間長に相当する振幅０の波形データを、第２複製処理部１０６１から供給される単気筒連続波形データの先頭に挿入する。その結果、第２の単気筒連続波形データの発音開始タイミングは、Ｉ１×Ｄのオフセット分の時間長だけ第１の単気筒連続波形データから遅れることになる。
同様に、オフセット付加部１０６２ｂは、（Ｉ１＋Ｉ２）×Ｄの時間長に相当する振幅０の波形データを第３の単気筒連続波形データの先頭に挿入し、オフセット付加部１０６２ｃは、（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３）×Ｄの時間長に相当する振幅０の波形データを第４の単気筒連続波形データの先頭に挿入する。

第２重合処理部１０６３は、オフセット付加部１０６２により発音開始タイミングがずらされた第２乃至第４の単気筒連続波形データを第２複製処理部１０６１から直接供給された第１の単気筒連続波形データにミキシングすることにより、４気筒エンジンの重合音に相当する多気筒連続波形データを生成する。そして、生成した多気筒連続波形データをＤ／Ａコンバータ１０７へ供給する。

Ｄ／Ａコンバータ１０７は、第２重合処理部１０６３から供給された多気筒連続波形データをアナログデータに変換し、アンプ３へ出力する。アンプ３はＤ／Ａコンバータ１０７から入力されたアナログデータを増幅し、スピーカ４に出力する。スピーカ４はアンプ３から入力されたアナログデータを音に変換して発音する。これにより、ユーザは、自身が入力した設計条件でエンジンを製造したときに発生するであろうエンジン音を聴取することができる。

以上説明した本実施形態では、走行状態、物理的属性、及び伝達特性の各設計条件をデータ入力画面の各入力欄を介して入力すると、入力された条件でエンジンを製造したときに発生するであろうエンジン音が出力されるようになっている。従って、エンジンの設計者たるユーザは、設計条件の入力内容を様々に変えながらその入力内容に応じて出力されるエンジン音を聴取する作業を繰り返すことにより、所望のエンジン音を出力させるのに最も好ましい設計条件を割り出すことができる。
また、本実施形態においては、エンジン音そのものの音波形ではなく、エンジン音を成す吸気音、爆発音、排気音の個別の音波形を用意しておき、設計条件の入力内容に応じてそれらの音波形を好適に重ね合わせることによりエンジン音の合成を行っている。よって、実機のエンジンにより近いリアルなエンジン音を聴取させることができる。

（他の実施形態）
本願発明は、種々の変形実施が可能である。
上記実施形態において、要素別原波形ＤＢ１００１には、吸気音、エンジン爆発音、排気音の各音要素毎の波形データの各セットが収録され、それらのセットを成す各波形データの各々に個別の周波数特定の変更と揺らぎの付加を施してからミキシングを行うことにより、単発音に相当する波形データを合成するようになっていた。これに対し、吸気音、エンジン爆発音、排気音とは別の音要素の波形データを要素別原波形ＤＢに収録し、その波形データをも含めた合成を行なってもよい。
上記実施形態にかかる波形合成装置１は、４気筒４ストロークエンジンのエンジン音のシミュレーションを想定したものであり、その多気筒連続波形生成部１０６の第２複製処理部１０６１は、単気筒連続波形生成部１０５から供給される単気筒連続波形データを３回に渡って複製することにより、各々が１つの気筒に対応する第１乃至第４の単気筒連続波形データを生成するようになっていた。これに対し、第２複製処理部１０６１の複製回数を変えることにより、他の気筒数のエンジンのエンジン音のシミュレーションを行えるようにしてもよい。また、多気筒連続波形生成部１０６自体を有しないシステム構成をとることにより、単気筒エンジンのエンジン音のシミュレーションを行うことも可能である。
上記実施形態において、多気筒連続波形生成部１０６の第２複製処理部１０６１は、単気筒連続波形生成部１０５から単気筒連続波形データが供給されると、その単気筒連続波形データと全く同じ波形データを複製してオフセット付加部１０６２へ供給するようになっていた。これに対し、供給された単気筒連続波形データと全く同じでないながらもそれと所定の相関を持つ波形データを生成してオフセット付加部１０６２へ供給するようにしてもよい。
上記実施形態において、第１対応関係ＤＢ群１００２には、アクセル開度とエンジン回転数という、走行状態を決定付ける２つの属性に応じた周波数変更パラメータが収録されており、第１周波数特性変更部１０５２ａはそれら２つの属性の入力内容に応じてＤＢ群１００２から読み出したパラメータを基に周波数特性の変更を行っていた。これに対し、走行状態を決定付ける他の属性に応じたパラメータを第１対応関係ＤＢ群１００２に収録し、そのパラメータの内容を反映させた周波数特性の変更を第１周波数特性変更部１０５２に行わせてもよい。また、第３対応関係ＤＢ群１００４には、車室内遮音性とエンジンと車室内の距離という、エンジンから車室内に至る音の伝達特性を決定付ける２つの属性に応じた周波数変更パラメータが収録されており、第２周波数特性変更部１０５５はそれら２つの属性の入力内容に応じてＤＢ群１００４から読み出したパラメータを基に周波数特性の変更を行っていた。これに対し、伝達特性を決定付ける他の属性に応じたパラメータを第３対応関係ＤＢ群１００４に収録し、そのパラメータの内容を反映させた周波数特性の変更を第２周波数特性変更部１０５５に行わせてもよい。

連続音が合成される様子を示した図である。 重合音が合成される様子を示した図である。 揺らぎの付加が重合音に与える影響を示したグラフである。 揺らぎの付加が重合音に与える影響を示したソナグラフである。 波形合成装置を含む波形合成システムの構成図である。 要素別原波形ＤＢの構成図である。 第１対応関係ＤＢ群１の構成図である。 第２対応関係ＤＢ群の構成図である。 第３対応関係ＤＢ群の構成図である。 第４対応関係ＤＢ群の構成図である。 データ入力用画面を例示した図である。

符号の説明

１…波形合成装置、２…マウス、３…アンプ、４…スピーカ、５…ディスプレイ、１００…記憶部、１０１…入力部、１０２…原波形選択部、１０３…周期変更部、１０４…画面生成部、１０５…単気筒連続波形生成部、１０６…多気筒連続波形生成部、１０７…Ｄ／Ａコンバータ

Claims (6)

1. 車両に搭載されるエンジンのエンジン音を成す各音要素の音要素波形をそれぞれ示す要素別原波形データを取得する取得手段と、
   前記取得された各要素別原波形データの各々が示す音要素波形をそれぞれ複数連続させることにより音要素連続波形を生成する連続波形生成手段と、
   前記連続波形生成手段により生成された音要素連続波形の各々に車両の走行状態に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第１の周波数特性変更手段と、
   前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に、前記エンジンの物理的属性に応じた揺らぎ幅を持つ振幅方向および時間方向の伸縮をそれぞれ付加する揺らぎ付加手段と、
   前記揺らぎ付加手段により振幅方向および時間方向の伸縮の付加された音要素連続波形の各々に前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第２の周波数特性変更手段と、
   前記第２の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た各音要素連続波形を重ね合わせることによってエンジン音の波形を生成する波形重合手段と
   を備えた波形合成装置。
2. 請求項１に記載の波形合成装置において、
   前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性をそれぞれ示す各伝達特性値を、前記第２の周波数特性変更手段による周波数特性の変更内容を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、
   伝達特性値を入力する入力手段と
   を更に備え、
   前記第２の周波数特性変更手段は、
   前記入力された伝達特性値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記揺らぎ付加手段による振幅方向および時間方向の伸縮の付加を経た音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に個別の周波数特性の変更を付加する
   波形合成装置。
3. 請求項１に記載の波形合成装置において、
   前記エンジンの物理的属性をそれぞれ示す各物理的属性値を、前記揺らぎ付加手段により付加される振幅方向および時間方向の伸縮の揺らぎ幅を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、
   物理的属性値を入力する入力手段と
   を更に備え、
   前記揺らぎ付加手段は、
   前記入力された物理的属性値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に振幅方向および時間方向の伸縮を個別に付加する
   波形合成装置。
4. 請求項１に記載の波形合成装置において、
   車両の走行状態をそれぞれ示す走行状態値を、前記第１の周波数特性変更手段による周波数特性の変更内容を決定付ける音要素毎のパラメータの各セットと対応付けて記憶した記憶手段と、
   走行状態値を入力する入力手段と
   を更に備え、
   前記第１の周波数特性変更手段は、
   前記入力された走行状態値と対応付けて前記記憶手段に記憶されているパラメータのセットを読み出し、読み出したセットを成す音要素毎のパラメータの各々を前記連続波形生成手段により生成された音要素連続波形の各々に作用させることによって、それらの音要素連続波形に個別の周波数特性の変更を付加する
   波形合成装置。
5. 請求項１乃至４に記載の波形合成装置において、
   前記波形重合手段は、
   前記生成したエンジン音の波形と同一の又はその波形と所定の相関を持つ複数の波形を生成し、当該エンジン音の波形と前記生成した複数の各波形を時間方向の所定のオフセットを持たせた上で重ね合わせることにより多気筒エンジンのエンジン音を生成する
   波形合成装置。
6. コンピュータに、
   車両に搭載されるエンジンのエンジン音を成す各音要素の音要素波形をそれぞれ表す要素別原波形データを取得する取得機能と、
   前記取得された各要素別原波形データの各々が示す音要素波形を複数連続させることにより音要素連続波形をそれぞれ生成する連続波形生成機能と、
   前記連続波形生成機能により生成された音要素連続波形の各々に車両の走行状態に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第１の周波数特性変更機能と、
   前記第１の周波数特性変更機能による周波数特性の変更を経た音要素連続波形の各々に、前記エンジンの物理的属性に応じた揺らぎ幅を持つ振幅方向および時間方向の伸縮をそれぞれ付加する揺らぎ付加機能と、
   前記揺らぎ付加機能による振幅方向および時間方向の伸縮の付加を経た音要素連続波形の各々に前記エンジンから前記車両内に至る音の伝達特性に応じた周波数特性の変更をそれぞれ加える第２の周波数特性変更機能と、
   前記第２の周波数特性変更機能による周波数特性の変更を経た各音要素連続波形を重ね合わせることによってエンジン音の波形を生成する波形重合機能と
   を実現させるプログラム。