JP5493373B2 - 伝達経路毎の成分を算定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は音波伝播構造体、特に車両の駆動起因総騒音に占める伝達経路毎の成分を算定するための方法に関する。

音波伝播構造体、例えば車両ボディーにおける振動ないし力の導入および伝播は、通例いわゆる“伝達経路解析”（ＴＰＡ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐａｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ）によって実施される。この場合、ボディーへの力の導入点につき、初期イナータンスならびに、力の導入点から車内のマイクまたはボディーの振動測定点あるいはその両方までの伝達関数が外部励起（シェーカ、ハンマ等）によって測定される。車両駆動中の実際の励起が車両ボディーに及ぼす影響は、力の導入点での車両駆動中の加速度の測定と、先に測定されたイナータンスならびに伝達関数を用いて求められる。伝達経路解析の適用に際して、極めて時間を要すると同時にエラーの生じやすい事項は、イナータンスおよび、音波導入点と音響応答点との間の周波数応答関数の測定である。したがって、これらの時間を要する測定の短所を回避することが要請されている。

パワーユニットとサスペンションシステムに関して、車両ボディーの力の導入点における力をできるだけ正確に求めるための方法が公知である(例えば、特許文献1参照)。これらの力と車両ボディーの振動伝達特性とによって、車両のパワートレインとサスペンションシステムが車内騒音挙動とボディーの振動挙動とに占める正確な騒音・振動成分を算定することが可能である。

オーストリア公開特許公報第５００７９８号明細書

本発明の目的は、従来の伝達経路解析の短所を回避して、力および、総騒音に占める伝達経路毎の成分を速やかにかつ正確に計算する方法を提供することである。

本発明によれば上記目的は以下のステップによって達成される：
ａ）前記音波伝播構造体における少なくとも１つの音波導入点を設定すること。
ｂ）各音波導入点領域に少なくとも１つの加速度検出器または少なくとも１つの音源マイクあるいはその両方を設けること。
ｃ）少なくとも１つの応答点を設定すること。
ｄ）前記応答点領域に少なくとも１つの応答マイクまたは少なくとも１つの加速度検出器あるいはその両方を設けること。
ｅ）駆動中に、前記応答点での音圧または加速度あるいはその両方と、各音波導入点での加速度または音圧あるいはその両方とにおける少なくとも１つの同時測定を実施すること。
ｆ）前記ｅ）のステップでの測定をベースとして、少なくとも１つの加速度対圧力感度関数、加速度対加速度感度関数、圧力対圧力感度関数のうちから選んだ関数を算出すること。
ｇ）各音波導入点と各応答点との間の相互測定された周波数応答関数を算出すること。
ｈ）前記相互測定された周波数応答関数と前記の加速度対圧力感度関数、加速度対圧力感度関数、加速度対加速度感度関数のうちから選んだ関数とをベースとして、少なくとも音波導入点での駆動状態におけるイナータンスを算出すること。
ｉ）前記算出されたイナータンスと駆動中に測定された前記音波導入点での前記加速度とをベースとして、少なくとも１つの音波導入点での少なくとも１つの力を算出すること。
ｊ）前記算出された力と前記相互測定された周波数応答関数とに基づき、または前記の圧力対圧力感度関数や前記駆動中に測定された前記音波導入点での音圧に基づいて、あるいはその両方に基づいて伝達経路毎の成分を算出すること。

本発明による方法によれば、駆動状態における少なくとも１つの動的な測定と、この測定に直接連係されて相互測定された、音源すなわち音波導入点とターゲットすなわち応答点との間の周波数応答関数とをベースとして、イナータンスが計算される。こうして算出されたイナータンスは、次に、駆動状態において生ずる力を算定するために用いられる。さらに、この算定された力を用いることにより、音源が応答点での音圧ないし加速度に及ぼす影響度を算定し、決定することが可能となる。

そのような演算結果の重要な改善は、全ての音源の励起が設定された全ての音波導入点近傍での加速度または音圧の測定によってカバーされた場合にもたらされる。重要な音源を１つでも落とすと、誤った感度関数とイナータンスがもたらされる。さらに、前記の加速度対音圧感度関数ないし加速度対加速度感度関数は駆動状態におけるすべての測定につき時間的に不変であると仮定される。このことは、前記加速度計の位置ならびに方向が一定不変であることからして、前記仮定を満たすため、前記構造体（例えば車両のシャシー）の温度は駆動状態における測定中できる限り一定不変とさるべきであるとのことを意味している。それゆえ、測定開始前の前記構造体の予熱が好適である。

空気音伝播が存在する場合には、前記音波導入点と前記応答点との間の総空気伝播音につき圧力対圧力ないし圧力対加速度感度関数が算出され、前記の圧力対圧力ないし圧力対加速度感度関数と前記音波導入点での前記駆動中に測定された音圧とをベースとして、前記応答点での総音圧ないし総加速度に占める空気伝播音成分が算出されて、前記応答点での総音圧ないし総加速度から減算されれば、前記算定結果の質の改善にとって好適である。

本発明の好適な実施形態の１つにおいて、各応答点につき前記の加速度対圧力感度関数ないし加速度対加速度感度関数が求められ、前記イナータンスの算出に際して考慮される。

前記方法の好適な一ステップにおいて、前記算出されたイナータンスをベースとして動的質量行列が算定される。これにより、さらに続いて、前記動的質量行列をベースとして駆動状態において前記音波導入点に生ずる力が算出され、駆動状態における前記音波導入点での力ならびにこれに対応する周波数応答関数をベースとしてあらゆる固体伝播する音源の伝達経路毎の成分が算出される。

本発明による方法では、駆動状態における測定と、相互測定された音波導入点と応答点との間の周波数応答関数とから、イナータンスを求めることができる。この新たな方法の利点は、大幅な時間節減と、イナータンス、および周波数応答の算出に際して生ずる一般的なエラーの回避とが達成される点にある。この方法の時間節減効果は明白であるが、他方、結果の質の向上については以下にさらに詳しく説明する。

上述したように、伝達経路解析実施時の最も頻度の高いエラーは、イナータンスおよび、音源（音波導入点、励起位置）からターゲット（応答点）までの周波数応答関数の測定に際して生ずる。

これらの障害の大部分は次の要因によるものである：
− 励起方向のずれ、
− 励起位置のずれ、ならびに
− 先に実施されたイナータンスないし周波数応答関数の測定と駆動状態における測定との間の構造体温度の相違。

励起方向のずれは、測定された周波数応答関数の力の方向が加速度計の測定方向と同じであることから、相互測定された周波数応答関数を使用することによって取り除かれる。さらに、イナータンスと周波数応答関数とを測定するには、加速度計を励起源の近傍に配置する方が、正確な励起のためにシェーカまたはハンマを同所に配置するよりも容易である。これにより、音波導入点からのずれに起因するエラーは本発明による方法では回避することができる。

さらにまた、音波導入点と応答点との間の周波数応答関数の相互測定が音圧および音響加速度の動作測定に続いて直ちに実施されれば、温度差に基づくエラーは前記相互測定によって減少させられる。これにより、動作測定とイナータンス測定ないし周波数応答測定との間の温度差に基づく問題を取り除くことが可能である。

上述した伝達経路解析法に必要とされる測定方法は、駆動状態における測定と、音源とターゲットとの間の周波数応答関数の相互測定とを含んでいる。駆動時の測定は従来の伝達経路解析測定と同じ方法で実施することが可能である。観察される力の励起位置（加速度計位置）から応答点までの相互測定された周波数応答関数の他に、さらに、音源マイクから応答マイクまでの圧力対圧力感度関数ないし圧力対加速度感度関数が本方法において使用可能である。この場合、これらの感度関数を算出するために可能などの方法も利用可能である。

測定後、以下の周波数応答関数および動的データが得られる：
− 駆動状態での測定
・駆動状態中の応答点での音圧ないし加速度
・駆動状態中の音源マイクでの音圧
・駆動状態中の音波導入点での加速度
・音源と応答点との間の総空気伝播音に関する（任意の）圧力対圧力感度関数ないし圧力対加速度感度関数
− 相互測定された周波数応答関数
・音源位置から応答点までの周波数応答関数。

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。

提案された本発明の方法をより深く理解するために、以下では、段階的な理論説明を行う。その際、複雑さを軽減するため、以下に挙げた例では車内空間における空気伝播音の応答点のみが使用される。したがって、応答点での加速度ではなく音圧を用いて計算が行われる。しかしながら、同様に加速度による計算を実施することも可能である。ただし、応答点での加速度と音圧が同時に使用される場合には、行列のスケーリングが好適であると考えられる。

より詳細な説明のため、応答マイクでの音圧Ｐ_ｔｏｔは、等式（１）に表されているように、固体伝播音成分Ｐ_ＳＢと空気伝播音成分Ｐ_ＡＢに分割することができる。

〔ステップ１.１−空気伝播音成分の除去下での加速度対圧力感度Ｓの算出〕
圧力対圧力感度が既知であれば、固体伝播音成分Ｐ_ＳＢと空気伝播音成分Ｐ_ＡＢとの間の分離を実施することができる。駆動状態における測定に際しては総ターゲット音圧のみが測定可能であり、所要のイナータンスは動的データから計算されるとの事実により、総音圧Ｐ_ｔｏｔに占める空気伝播音成分Ｐ_ＡＢは除去されなければならない。総ターゲット音圧レベルＰ_ｔｏｔに占める空気伝播音成分Ｐ_ＡＢを算出するには、既知の圧力対圧力感度関数に当該音源マイクでの測定音圧が乗算される。次いで、こうして計算された空気伝播音成分Ｐ_ＡＢが総ターゲット音圧レベルＰ_ｔｏｔから差し引かれる。

上述したように、被検査構造体に関する加速度対圧力感度関数Ｓは時間に依存していないと仮定される。
計算上の理由から、時間領域から周波数領域への変換は、場合により重畳する短い時間信号ブロックを使用して実施される。望ましいブロックサイズは求められる感度の予測インパルス応答の最大長ないし周波数応答関数に依存している。使用される信号ブロックの時間位置の選択は、異なった信号ブロックの広範な統計的独立性を保証する必要がある。

以下の式２には、任意の周波数ｆに関して導出される式が表されている。検査された周波数ｆにつき、第２のパラメータｔはさまざまな信号ブロックのタイムスタンプを表している（ｔ＝１．．．ｍ）。確かな結果を得るためには、等式の冗長定立が望ましい。この式群は、例えば特異値分解（ＳＶＤ）を使って解くことができる。

〔ステップ１．２−空気伝播音成分の除去なしでの加速度対圧力感度Ｓの算出（ステップ１．１に対する別法）〕
圧力対圧力感度が既知でなければ、ステップ１.１に代えて、加速度対圧力感度Ｓおよび圧力対圧力感度を同時に計算することができる。当該周波数域の所要の信号の計算はステップ１．１と同様にして行うことができる。用いられる加速度の他に、音源位置での音圧Ｐ_ｓが観察されなければならない。結果を導出する式は式３に表されている。音圧と加速度との間の値の相違に基づくエラーを回避するため、スケーリング効果が考慮される必要がある。

〔ステップ２−イナータンスの算出〕
加速度対圧力感度Ｓが、ステップ１.１ないしステップ１.２（圧力対圧力感度の存在に応ず）に述べられているように計算された後、所要のイナータンスが、つまり加速度と力の振幅との商（加速度／周期的力の振幅）が算出可能となる。

相反定理に基づき、相互（相反）測定された周波数応答関数と駆動状態における周波数応答関数とは等値可能である。したがって、イナータンスを算出するため、相互測定された周波数応答関数を駆動中に作用する周波数応答関数に比較することが可能である。相応な式は以下の式４に表されており、要素別に読み取ることができる。

駆動状態において作用する周波数応答関数は、一般に以下の式５の関係によって表すことができる。式５には、ステップ１.１またはステップ１.２で算出される加速度対圧力感度Ｓの他に、求められたイナータンスが用いられる。

求められるイナータンスを計算するため、駆動状態における周波数応答関数は、以下の式６に表されているように、相互測定された周波数応答関数によって置き換えられる。

上記式６を使用して、ステップ１.１ないしステップ１.２で算出された加速度対圧力感度Ｓと相互測定された周波数応答関数とからイナータンスを計算することができる。この方法は考えられ得る任意の数の自由度で実施可能である。この方法は、３つの力と３つの加速度による１例（例えば軸受における励起）に準じると、以下の式７で示される。

この場合、計算上の理由から、９個のイナータンスが計算されなければならない。したがって、一義的な結果を得るために９個の一次方程式が必要である。これだけの数の方程式を得るためには、３個の応答マイク位置ｉ＝１．．．３での相互測定された周波数応答関数が存在していなければならない。この場合、応答マイクの位置は、当該音圧信号が統計的に互いに十分独立しているように選択されなければならない。こうした統計的独立性は波数ｋと応答マイク間の距離ｒに関連しており、この場合、sin(kr)／kr≦０．５が望ましい。したがって、周波数１００Ｈｚが観察される場合には、応答マイク間に約１ｍの距離が必要である。

計算のため、各周波数ｆにつき、すべてのイナータンスがベクトルにまとめられ、加速度対圧力感度Ｓの値を含んだ適合行列が立てられる。この関係は、以下の式８で表される。

必要とされる応答マイクの数を減らすため、イナータンス行列に仮定された対称性を利用することができる。したがって、Ｍ^２イナータンスに代えて、（Ｍ^２／２＋Ｍ／２）要素が計算されさえすればよい。減らされたセットのイナータンスに関する式は以下の式９で表される。この式につき、加速度対圧力感度の行列は１行中の２個の対称イナータンスの合算によって計算される。

イナータンスＩが計算された後、イナータンス行列の反転によって動的質量行列を算出することが可能である。駆動状態における力を得るためには、算出された動的質量行列に駆動状態における加速度が乗算されなければならない。力に相応な周波数応答関数を乗ずることにより、求めるべき全ての固体伝播音源の影響度が得られる。

Claims (9)

1. 音波伝播構造体、特に車両の駆動起因総騒音に占める伝達経路毎の成分を算定するための方法であって、以下のステップ、
   ａ）前記音波伝播構造体における少なくとも１つの音波導入点を設定するステップと、
   ｂ）各音波導入点領域に少なくとも１つの加速度検出器または少なくとも１つの音源マイクあるいはその両方を設けるステップと、
   ｃ）少なくとも１つの応答点を設定するステップと、
   ｄ）前記応答点領域に少なくとも１つの応答マイクまたは少なくとも１つの加速度検出器あるいはその両方を設けるステップと、
   ｅ）駆動中に、前記応答点での音圧または加速度あるいはその両方と、各音波導入点での加速度または音圧あるいはその両方とにおける少なくとも１つの同時測定を実施するステップと、
   ｆ）前記ｅ）のステップでの測定をベースとして、少なくとも１つの加速度対圧力感度関数、加速度対加速度感度関数、圧力対圧力感度関数のうちから選んだ関数を算出するステップと、
   ｇ）各音波導入点と各応答点との間の相互測定された周波数応答関数を算出するステップと、
   ｈ）前記相互測定された周波数応答関数と前記の加速度対圧力感度関数、加速度対圧力感度関数、加速度対加速度感度関数のうちから選んだ関数とをベースとして、少なくとも音波導入点での駆動状態におけるイナータンスを算出するステップと、
   ｉ）前記算出されたイナータンスと駆動中に測定された前記音波導入点での前記加速度とをベースとして、少なくとも１つの音波導入点での少なくとも１つの力を算出するステップと、
   ｊ）前記算出された力と前記相互測定された周波数応答関数とに基づき、または前記の圧力対圧力感度関数や前記駆動中に測定された前記音波導入点での音圧に基づいて、あるいはその両方に基づいて伝達経路毎の成分を算出するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ステップｇ）は前記ステップｅ）およびｆ）に直接連続して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 総空気伝播音につき、前記音波導入点と前記応答点との間の、少なくとも１つの圧力対圧力感度関数または圧力対加速度感度関数あるいはその両方が算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 得られた前記圧力対圧力感度関数または圧力対加速度感度関数あるいはその両方と、前記音波導入点での前記測定音圧とをベースとして、前記応答点での総音圧ないし総加速度に占める空気伝播音成分または加速度成分あるいはその両方が算出され、前記応答点での総音圧ないし総加速度から減算されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記音波導入点と前記応答点との間の空気音伝播に関して圧力対圧力感度関数ないし圧力対加速度感度関数が既知でない場合に、圧力対圧力感度関数ないし圧力対加速度感度関数は加速度対音圧感度関数ないし加速度対加速度感度関数と共に算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
6. 各応答点につき前記の加速度対圧力感度関数または加速度対加速度感度関数あるいはその両方の関数が算出されるともに前記イナータンスの計算に際して考慮されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記算出されたイナータンスをベースとして動的質量行列が算出されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記動的質量行列をベースとして、駆動状態における前記音波導入点に生ずる力が計算されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. あらゆる固体伝播する音源の伝達経路毎の成分は、駆動状態における前記音波導入点での力ならびにこれに対応する周波数応答関数をベースとして算出されることを特徴とする請求項８に記載の方法。