JP6433340B2 - Signal analysis device and knocking detection device - Google Patents
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Description
本発明は、周期的な動作を行なう対象物の動作に伴う振動やその振動に起因して発せられた音などの物理量をピックアップして得た原信号に基づいて、対象物の動作解析を行なう信号解析装置、および、本発明の信号解析装置の一例としての、エンジンのノッキングを検出するノッキング検出装置に関する。 The present invention performs an operation analysis of an object based on an original signal obtained by picking up a physical quantity such as a vibration accompanying a movement of an object that performs a periodic operation and a sound generated due to the vibration. The present invention relates to a signal analysis device and a knocking detection device that detects engine knocking as an example of the signal analysis device of the present invention.
従来より、エンジンの点火タイミング調整試験等において、ノッキングが発生しない範囲内で最適な点火タイミング等を探るために、エンジンのノッキングの検出が行われている。 Conventionally, in engine ignition timing adjustment tests and the like, detection of engine knocking has been performed in order to find an optimal ignition timing and the like within a range where knocking does not occur.
このような目的のためのノッキング検出方法として、従来、時間に対するエンジンの筒内圧の変化を計測し、その筒内圧変化に基づいてノッキングが検出されている(例えば、特許文献1参照)。 As a knocking detection method for such a purpose, conventionally, a change in the in-cylinder pressure of the engine with respect to time is measured, and knocking is detected based on the change in the in-cylinder pressure (see, for example, Patent Document 1).
しかしながらエンジンの筒内圧を計測するにはエンジンを加工してエンジンの内部にセンサを取り付ける必要があり、計測のための準備が大変である。また、エンジンを加工したり、そのエンジンの中にセンサを取り付けたりすることによって、エンジンの特性が変化し、点火タイミング調整等の精度が低下するおそれがある。また、テスト用のエンジンを用いた試験で点火タイミングの調整等を行なった後、実車試験が行われるが、実車のエンジンにそのような筒内圧を計測するセンサを取り付ける訳にはいかず、実車におけるノッキングの発生の有無は熟練者が自分の聴覚で聴き分けているのが現状であり、最終的には熟練者の聴覚によりノッキング判定をしている。また、テスト用のエンジンを用いた試験でもノッキングの発生の有無は熟練者がノッキング判定しているが、エンジンの特性が変化し、テスト用のエンジンの場合ではノッキングしていない条件でも、実車試験ではノッキングが発生してしまい、ノッキング条件にずれがあることも指摘されている。 However, in order to measure the in-cylinder pressure of the engine, it is necessary to process the engine and attach a sensor to the inside of the engine, and preparation for measurement is difficult. Further, by processing the engine or mounting a sensor in the engine, the characteristics of the engine may change, and the accuracy of ignition timing adjustment and the like may be reduced. Also, after adjusting the ignition timing in a test using a test engine, an actual vehicle test is performed, but it is not possible to attach such a sensor to measure the in-cylinder pressure to the actual vehicle engine. Whether or not knocking has occurred is currently determined by a skilled person by his / her own hearing, and finally knocking is determined by the hearing of the skilled person. Also, even in the test using the test engine, the expert determines whether knocking has occurred or not, but the actual vehicle test even under conditions where the engine characteristics have changed and the test engine has not been knocked However, it has been pointed out that knocking occurs and there is a deviation in the knocking conditions.
エンジンを加工せずに済む、エンジンのノッキング検出用のセンサとして、いわゆるノックセンサと呼ばれるセンサが知られている(例えば、特許文献2〜5参照)。このノックセンサは、エンジンの外表面に取り付ければよく、筒内圧の計測と比べ、センサの取付けは容易である。しかしながら、このノックセンサは、エンジンが破損するかも知れないような強いノッキングを検出するものであって、点火タイミングを少しずつ調整しながらノッキングが発生し始めたか否かを検出するといった微妙なノッキング検出は難しい。 As a sensor for detecting knocking of an engine that does not require processing the engine, a so-called knock sensor is known (for example, see Patent Documents 2 to 5). The knock sensor may be attached to the outer surface of the engine, and the sensor can be easily attached as compared with the measurement of the in-cylinder pressure. However, this knock sensor detects strong knocking that may damage the engine, and it detects subtle knocking such as detecting whether knocking has started while adjusting the ignition timing little by little. Is difficult.
また、エンジン燃焼に伴う振動や音をピックアップして、その信号に基づいてエンジンのノッキングを検出する試みがなされている(例えば、特許文献6〜9参照)。エンジン燃焼に伴う振動や音からノッキングを十分な精度で検出することができれば、エンジンの加工は不要であり、熟練者の聴覚によるノッキング判定との間のずれも解消することが期待される。 In addition, attempts have been made to pick up vibrations and sounds associated with engine combustion and detect engine knock based on the signals (see, for example, Patent Documents 6 to 9). If knocking can be detected with sufficient accuracy from vibrations and sounds associated with engine combustion, engine processing is unnecessary, and it is expected that the deviation from knocking judgment by an expert's hearing is also eliminated.
しかしながら、エンジン燃焼に伴う振動や音に基づいて十分な精度のノッキング検出が可能なのは、低い回転速度領域のみであって、エンジン試験において必要となる高い回転速度をカバーするには到底及ばない。 However, knocking detection with sufficient accuracy based on vibrations and sounds associated with engine combustion is possible only in the low rotation speed region, and it is not enough to cover the high rotation speed required in the engine test.
このように、振動や音に基づくノッキングの検出が試みられているものの、回転速度がエンジン試験において必要となる回転速度全域に及ばないことから、十分には実用化されていないのが現状である。 Thus, although detection of knocking based on vibration and sound has been attempted, since the rotational speed does not reach the entire rotational speed required in the engine test, it has not been sufficiently put into practical use. .
また、エンジンのノッキング検出に限らず、周期的な動作を行なう対象物の動作に起因する振動や音をピックアップして得た信号に基づいて対象物の動作解析を行なう場合の広い分野において、より高精度な動作解析を行なうことが望まれている。 Also, not only in engine knocking detection, but in a wide field when performing motion analysis of an object based on signals obtained by picking up vibrations and sounds resulting from motion of the object performing periodic motion, It is desired to perform highly accurate motion analysis.
本発明は、上記事情に鑑み、振動や音などの物理量に基づいて、対象物の動作解析を高精度に行なうことができる信号解析装置、およびエンジン試験で必要となる回転速度全域のノッキングを、その物理量に基づいて、エンジン試験で必要となる広い回転速度領域にわたって十分な精度で検出することのできるノッキング検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention is based on a physical quantity such as vibration and sound, a signal analysis device capable of performing a motion analysis of an object with high accuracy, and knocking over the entire rotation speed required for an engine test, An object of the present invention is to provide a knocking detection device capable of detecting with sufficient accuracy over a wide rotation speed region required for an engine test based on the physical quantity.
上記目的を達成する本発明の信号解析装置は、
周期的な動作を行なう対象物の動作に伴う振動に起因して値を変化させる物理量をピックアップするセンサによりピックアップされた物理量の値の時間に対する変化を表わす原信号を取得する原信号取得部と、
原信号取得部で取得した原信号に適応線スペクトル強調器を作用させることにより原信号に含まれる周期成分が抑制されて原信号の非周期成分が強調された非周期信号を抽出する非周期信号抽出部と、
対象物の周期的な動作角度の少なくとも原点を表わす原点情報を含む角度情報を取得する角度情報取得部と、
角度情報取得部で取得した角度情報に基づいて、非周期信号から切出し角度範囲内の信号を切り出す信号切出部と、
信号切出部で切り出された信号に基づいて、対象物の動作解析を行なう動作解析部とを備えたことを特徴とする。
The signal analysis device of the present invention that achieves the above object is
An original signal acquisition unit for acquiring an original signal representing a change with respect to time of a value of a physical quantity picked up by a sensor that picks up a physical quantity whose value is changed due to vibration associated with the movement of an object that performs a periodic operation;
A non-periodic signal that extracts the non-periodic signal in which the non-periodic component of the original signal is enhanced by suppressing the periodic component included in the original signal by applying an adaptive line enhancer to the original signal acquired by the original signal acquisition unit An extractor;
An angle information acquisition unit for acquiring angle information including origin information representing at least an origin of a periodic operation angle of the object;
Based on the angle information acquired by the angle information acquisition unit, a signal cutout unit that cuts out a signal within the cutout angle range from the non-periodic signal,
And a motion analysis unit that performs motion analysis of the object based on the signal cut out by the signal cutout unit.
振動や音などの物理量に基づいて高精度な解析を行なおうとする場合は、対象物の特徴的な動作に起因する物理量のうちの特徴的な成分をその特徴的な成分以外の成分から分離、強調して解析を行なうことが望ましい。本発明の信号解析装置では、上記の適応線スペクトル強調器を用いて原信号から特徴的な動作に起因する成分が強調された非周期信号が抽出され、その非周期信号に基づいて動作解析が行なわれる。したがって高精度の解析が可能である。 When performing high-accuracy analysis based on physical quantities such as vibration and sound, separate the characteristic components of the physical quantities resulting from the characteristic motion of the object from components other than the characteristic components. It is desirable to perform analysis with emphasis. In the signal analysis apparatus of the present invention, the adaptive line spectrum enhancer is used to extract a non-periodic signal in which a component caused by a characteristic operation is emphasized from the original signal, and the operation analysis is performed based on the non-periodic signal. Done. Therefore, highly accurate analysis is possible.
ここで、本発明の信号解析装置において、対象物がエンジンであって、動作解析部が、エンジンのノッキングの発生の有無を解析対象とするものであってもよい。 Here, in the signal analysis device of the present invention, the object may be an engine, and the motion analysis unit may analyze whether or not engine knocking has occurred.
本発明の信号解析装置は、エンジンのノッキング解析を行なう場合に好適である。 The signal analyzing apparatus of the present invention is suitable for performing engine knocking analysis.
また、上記目的を達成する本発明のノッキング検出装置は、
エンジン燃焼に伴う振動に起因して値を変化させる物理量をピックアップするセンサによりピックアップされた物理量の値の時間に対する変化を表わす原信号を取得する原信号取得部と、
原信号取得部で取得した原信号に適応線スペクトル強調器を作用させることにより原信号に含まれる周期成分が抑制されて原信号の非周期成分が強調された非周期信号を抽出する非周期信号抽出部と、
エンジンの回転角度の、少なくとも原点位置情報を含む角度情報を取得する角度情報取得部と、
角度情報取得部で取得した角度情報に基づいて、非周期信号から、切出し角度範囲内の信号を、エンジン燃焼の複数の周期に亘って繰り返し切り出す信号切出部と、
信号切出部で繰り返し切り出された、ノッキングが発生していない第1の期間内の複数周期分の複数の第1の信号それぞれに基づいて、複数の第1のバイスペクトルを算出して、それら複数の第1のバイスペクトルの平均的な値を正規化した第1の正規化値を算出し、
前記信号切出部で切り出された、ノッキングの発生のおそれがある第2の期間内の1周期分の第2の信号に基づいて、第2のバイスペクトルを算出して、複数の第1のバイスペクトルと第2のバイスペクトルとを合わせた複数のバイスペクトルの平均的な値を正規化した第2の正規化値を算出し、
第2の正規化値と第1の正規化値との差分からなる差分正規化値を算出する差分正規化値算出部と、
差分正規化値算出部で算出された差分正規化値に基づいて、エンジンの指標となる指標値を算出する指標値算出部と、
指標値算出部で算出された指標値に由来する情報を提示する情報提示部とを備えたことを特徴とする。
Moreover, the knocking detection device of the present invention that achieves the above-described object is
An original signal acquisition unit for acquiring an original signal representing a change with time of a value of a physical quantity picked up by a sensor that picks up a physical quantity whose value is changed due to vibration caused by engine combustion;
A non-periodic signal that extracts the non-periodic signal in which the non-periodic component of the original signal is enhanced by suppressing the periodic component included in the original signal by applying an adaptive line enhancer to the original signal acquired by the original signal acquisition unit An extractor;
An angle information acquisition unit for acquiring angle information including at least origin position information of the rotation angle of the engine;
Based on the angle information acquired by the angle information acquisition unit, from a non-periodic signal, a signal cutout unit that repeatedly cuts out a signal within the cutout angle range over a plurality of cycles of engine combustion
A plurality of first bispectrums are calculated based on each of a plurality of first signals for a plurality of cycles within a first period in which knocking does not occur, which are repeatedly cut out by the signal cutout unit, and Calculating a first normalized value obtained by normalizing an average value of the plurality of first bispectrums;
A second bispectrum is calculated based on a second signal for one cycle within a second period that is likely to cause knocking, which is cut out by the signal cutout unit, and a plurality of first bispectrums are calculated. Calculating a second normalized value obtained by normalizing an average value of a plurality of bispectrums obtained by combining the bispectrum and the second bispectrum;
A difference normalized value calculation unit that calculates a difference normalized value including a difference between the second normalized value and the first normalized value;
An index value calculation unit that calculates an index value serving as an index of the engine based on the difference normalized value calculated by the difference normalized value calculation unit;
And an information presentation unit for presenting information derived from the index value calculated by the index value calculation unit.
本発明者は、ノッキングの原因や現象を探り、ノッキングの検出に適合すると思われる様々な演算手法を試みた結果、本発明の完成に到達したのである。本発明は、上記の差分正規化値を算出し、ノッキングの指標となる指標値を、その差分正規化値に基づいて算出しているため、エンジン試験に必要な広範な回転速度域内にわたるノッキングをエンジン試験に必要な十分な精度をもって検出することができる。 As a result of investigating the cause and phenomenon of knocking and trying various calculation methods that seem to be suitable for detection of knocking, the present inventors have completed the present invention. In the present invention, since the difference normalized value is calculated and an index value serving as an index for knocking is calculated based on the difference normalized value, knocking over a wide range of rotational speeds necessary for engine tests is performed. It can be detected with sufficient accuracy required for engine testing.
また、本発明のノッキング検出装置によれば、原信号に適応線スペクトル演算器を作用させてノッキング発生時の非周期成分が強調された非周期信号を抽出し、その非周期信号に基づいてノッキング検出を行なっているため、ノッキングを一層高精度に検出することができる。 According to the knock detection device of the present invention, the adaptive line spectrum calculator is applied to the original signal to extract the non-periodic signal in which the non-periodic component at the time of knocking is emphasized, and knocking is performed based on the non-periodic signal. Since detection is performed, knocking can be detected with higher accuracy.
本発明のノッキング検出装置において、上記指標値算出部が、差分正規化値算出部で算出された差分正規化値b_sub(f1,f2)(但し、f1,f2はいずれも周波数を表わす)のうちのf1=f2近傍の値から、2次の調和成分が含まれているレベルを表わす特徴量を算出し、エンジンの、少なくとも1つの振動モードにおける固有振動数近傍の周波数帯域内の特徴量のうちの代表値を算出して、その代表値由来の値を指標値とするものであることが好ましい。 In the knocking detection device of the present invention, the index value calculation unit may calculate the difference normalized value b_sub (f 1 , f 2 ) calculated by the difference normalized value calculation unit (where f 1 and f 2 are both frequencies). A characteristic amount representing a level including a secondary harmonic component is calculated from a value in the vicinity of f 1 = f 2, and a frequency band in the vicinity of the natural frequency in at least one vibration mode of the engine is calculated. It is preferable that a representative value among the feature values is calculated, and a value derived from the representative value is used as an index value.
ノッキングは、エンジン燃焼の異常でエンジンの固有振動数(共振周波数)での振動が増幅され、衝撃波が発生する現象である。この衝撃波は、固有振動数(共振周波数)の2倍の振動数(周波数)での振動を伴っている。分析対象としている物理量に、ある周波数成分と、その2倍の周波数成分とからなる2次の調和成分が含まれていた場合、その2次の調和成分はバイコヒーレンスのf1=f2のライン上の値としてあらわれる。一方、ノイズ成分は、f1=f2のラインから外れた位置にあらわれる。ただし、演算には誤差を伴うことから、その誤差分を含め、f1=f2近傍の値から特徴量を算出する。ここで、エンジンの固有振動数(共振周波数)は、計算や観察等によりあらかじめ知ることができるが、エンジン燃焼に伴う発熱により変化する。このため、特徴量を算出した後、固有振動数(共振周波数)の変動範囲を含む周波数帯域内の特徴量に基づいて代表値を算出する。このようにして算出された代表値由来の値を指標値とすることにより、さらに高精度なノッキング検出を行なうことができる。 Knocking is a phenomenon in which a shock wave is generated by amplifying vibrations at the natural frequency (resonance frequency) of the engine due to abnormal combustion of the engine. This shock wave is accompanied by vibration at a frequency (frequency) that is twice the natural frequency (resonance frequency). When the physical quantity to be analyzed includes a second-order harmonic component composed of a certain frequency component and twice the frequency component, the second-order harmonic component is a line of bicoherence f 1 = f 2 . Appears as the above value. On the other hand, the noise component appears at a position deviating from the line of f 1 = f 2 . However, since the calculation involves an error, the feature amount is calculated from a value near f 1 = f 2 including the error. Here, the natural frequency (resonance frequency) of the engine can be known in advance by calculation, observation, or the like, but changes due to heat generated by engine combustion. For this reason, after calculating the feature value, the representative value is calculated based on the feature value in the frequency band including the fluctuation range of the natural frequency (resonance frequency). By using the value derived from the representative value thus calculated as an index value, knocking detection with higher accuracy can be performed.
さらに、本発明のノッキング検出装置において、上記代表値を算出して、その代表値由来の値を指標値とするにあたり、指標値算出部が、上記差分正規化算出部に、複数の第1のバイスペクトルのうちの少なくとも1つの第1のバイスペクトルを順次入れ替えながら第1の正規化値を複数算出させ、それら複数の第1の正規化値どうしの差分の平均値μと標準偏差σとを算出して、ノッキング有無の判定の閾値TRを、
TR=α×σ+μ
但し、αは、係数を表わす
に従って算出し、
代表値と閾値とを比較する比較演算を経て指標値を算出するものであることが好ましい。
Furthermore, in the knocking detection apparatus of the present invention, when calculating the representative value and using the value derived from the representative value as an index value, the index value calculation unit includes a plurality of first normalization calculation units. A plurality of first normalization values are calculated while sequentially replacing at least one first bispectrum of the bispectrums, and an average value μ and a standard deviation σ of the difference between the first normalization values are calculated. Calculate threshold value TR for determining whether knocking is present or not,
TR = α × σ + μ
Where α is calculated according to the coefficient,
It is preferable that the index value is calculated through a comparison operation for comparing the representative value and the threshold value.
上記の閾値は、統計的に意味のある確率を持ってノッキングが発生しているか否かを判定することのできる閾値である。したがって、代表値と上記の閾値と比較する比較演算を経ることにより、ノッキングが発生しているか否かを、統計的に意味のある確率を持つ指標値として算出することができる。 The above threshold value is a threshold value with which it is possible to determine whether or not knocking has occurred with a statistically significant probability. Therefore, whether or not knocking has occurred can be calculated as an index value having a statistically significant probability by performing a comparison operation that compares the representative value with the above threshold value.
また、指標値算出部がさらに、上記比較演算を経て算出された指標値を使用して、指定サイクル数についてノッキングの発生の有無を判定し、その指定サイクル数の中でノッキングの発生有りと判定されたサイクル数の割合であるノッキング発生率を算出し、そのノッキング発生率と回転速度からの単位時間当たりのエンジン行程数の積から算出した、単位時間当たりの平均ノッキング回数の値を、新たな指標値とするものであることがさらに好ましい。 Further, the index value calculation unit further determines whether or not knocking has occurred for the specified number of cycles using the index value calculated through the comparison operation, and determines that knocking has occurred within the specified number of cycles. The knocking occurrence rate, which is the ratio of the number of cycles performed, is calculated, and the value of the average number of knocks per unit time calculated from the product of the knocking occurrence rate and the number of engine strokes per unit time from the rotational speed is calculated as a new value. More preferably, the index value is used.
この新たな指標値は、聴感におけるノッキング指標と相関が高い指標値である。 This new index value is an index value that has a high correlation with the knocking index in hearing.
ここで、本発明のノッキング検出装置において、検出対象となる物理量が音であって、 上記センサが、エンジン燃焼に伴う振動に起因してエンジンから発せられる音をピックアップするセンサであることが好ましい。 Here, in the knocking detection device of the present invention, it is preferable that the physical quantity to be detected is sound, and the sensor is a sensor that picks up sound emitted from the engine due to vibration accompanying engine combustion.
音を検出対象とすることにより、エンジンに非接触でノッキング検出を行なうことができる。 By using sound as a detection target, knocking detection can be performed without contact with the engine.
ただし、本発明のノッキング検出装置は、エンジンの振動自体を検出対象とし、上記センサが、エンジン燃焼に伴う振動自体をピックアップするセンサであってもよい。 However, the knocking detection device of the present invention may be a sensor that detects engine vibration itself and the sensor picks up vibration itself accompanying engine combustion.
この場合も、エンジンを加工せずに、エンジン表面にセンサを取り付けるだけで済み、容易にノッキング検出を行なうことができる。 Also in this case, it is only necessary to attach a sensor to the engine surface without machining the engine, and knocking detection can be easily performed.
以上の本発明によれば、対象物の動作解析をより高精度に行なうことができる信号解析装置、およびエンジン試験で必要となる回転速度全域のノッキングを、エンジン試験で必要とする十分な精度で検出することのできるノッキング検出装置が実現する。 According to the present invention described above, the signal analysis device capable of performing the motion analysis of the object with higher accuracy, and knocking over the entire rotational speed required in the engine test can be performed with sufficient accuracy required in the engine test. A knocking detection device capable of detection is realized.
以下、本発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明の信号解析装置の一例であるノッキング解析装置について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below. Here, a knocking analysis apparatus which is an example of the signal analysis apparatus of the present invention will be described.
図1,図2は、本発明の一実施形態としてのノッキング検出装置を採用したエンジン試験システムの概要を示した図である。 1 and 2 are diagrams showing an outline of an engine test system that employs a knocking detection device as one embodiment of the present invention.
図1ではテスト用のエンジンを試験対象としたエンジンベンチ試験を示しており、図2では実車を試験対象とした実車試験を示している。 FIG. 1 shows an engine bench test for a test engine, and FIG. 2 shows an actual vehicle test for an actual vehicle.
図1に示すテスト用エンジン1は、ダイナモ2に連結されており、様々な運転条件下でのエンジンの試験が行なわれる。図2に示す自動車3は、図1に示すテスト用エンジンと同型のエンジンが搭載された自動車である。この自動車3は、試験運転用の試験台4の上に載せられており、試験台4では様々な運転条件が再現されて、それら様々な運転条件下での運転試験が行なわれる。 A test engine 1 shown in FIG. 1 is connected to a dynamo 2 and tests the engine under various operating conditions. An automobile 3 shown in FIG. 2 is an automobile equipped with an engine of the same type as the test engine shown in FIG. The automobile 3 is mounted on a test stand 4 for test operation. Various test conditions are reproduced on the test stand 4, and an operation test is performed under these various drive conditions.
例えば点火タイミングの調整試験は、図1に示すテスト用エンジンで行なわれ、最適と考えられる点火タイミングが決まると、自動車3はその調整された条件下で運転されて、その調整の良否の確認が行なわれる。 For example, the ignition timing adjustment test is performed with the test engine shown in FIG. 1. When the optimum ignition timing is determined, the automobile 3 is operated under the adjusted conditions, and whether or not the adjustment is good is confirmed. Done.
ここでは、図1に示すエンジンベンチ試験の場合も、図2に示す実車試験の場合も共通に、エンジン1の近くに音センサ5が配置される。この音センサ5は、エンジン1の燃焼に伴う振動に起因する音をピックアップして音圧信号を生成するセンサである。 Here, in the case of the engine bench test shown in FIG. 1 and the case of the actual vehicle test shown in FIG. 2, the sound sensor 5 is arranged near the engine 1. The sound sensor 5 is a sensor that picks up a sound caused by vibration accompanying combustion of the engine 1 and generates a sound pressure signal.
この音センサ5でピックアップされた音圧信号は、ノッキング検出装置10に入力される。
The sound pressure signal picked up by the sound sensor 5 is input to the knocking
また、エンジン1の回転を制御するECU(Engine Control Unit)からはエンジン1の回転角度を表わす角度信号が取り出される。 An angle signal representing the rotation angle of the engine 1 is extracted from an ECU (Engine Control Unit) that controls the rotation of the engine 1.
本実施形態では、この角度信号には、エンジン1回転につき1パルスの、回転角度の原点を表わす回転パルスと、エンジン1回転につき720パルスのクランク角度パルスとが含まれている。尚、図2において、ECU6が自動車2とは別に示されているが、これは分かり易さのために別々に示したのであって、図2におけるECU6は自動車3に内蔵されている要素である。 In the present embodiment, the angle signal includes a rotation pulse representing the origin of the rotation angle, one pulse per engine rotation, and a crank angle pulse, 720 pulses per engine rotation. In FIG. 2, the ECU 6 is shown separately from the automobile 2, but this is shown separately for easy understanding, and the ECU 6 in FIG. 2 is an element built in the automobile 3. .
図1および図2のいずれの場合も、音センサ5により得られたエンジン音の音圧信号およびECUからの角度信号は、ノッキング検出装置10に入力される。このように、本実施形態のノッキング検出装置10は、エンジンベンチ試験の場合(図1の場合)も実車試験の場合(図2の場合)も共通に使用される。
1 and 2, the sound pressure signal of the engine sound obtained by the sound sensor 5 and the angle signal from the ECU are input to the knocking
このノッキング検出装置10は、データ収集装置20とノート型パーソナルコンピュータ(以下、単に「ノートPC」と略記する)30とで構成されている。データ収集装置20は、音センサ5からの音圧信号をA/D変換し、角度信号とともにその内部に一旦蓄えた後、それらのデータをノートPC30に渡す。ノートPC30は、データ収集装置20からデータを受け取り、ノッキングの検出に関する後述する演算を実行して、その演算結果をデータ収集装置20に送る。データ収集装置20はノートPCからその演算結果を受け取って操作盤40に送る。
The knocking
操作盤40は図1に示すエンジンベンチ試験の際にオペレータ50によって操作され、点火時期やその他エンジン1の様々なパラメータの調整を行なう操作盤である。この操作盤40のモニタ画面40a上には、エンジン1の、調整しようとしているパラメータに応じて、様々な情報が表示される。エンジン1の点火タイミングの調整にあたっては、ノッキング検出装置10から送られてきたノッキングに関する演算結果がモニタ画面40a上に表示される。オペレータはその表示を見ながら点火タイミングを調整する。
The
また、ノートPC30での演算結果は、ノートPC30自体の表示画面30a上に表示することもできる。
In addition, the calculation result of the
操作盤40では、図2に示す実車試験の際は、基本的には点火タイミング調整等のエンジンの調整は行なわれない。操作盤40では、実車試験の際は、モニタ画面40a上への様々な情報の表示と、エンジンの様々な状態やその変化のデータの収集が行なわれている。
In the
図3は、図1に示すノートPCにおける演算内容を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing calculation contents in the notebook PC shown in FIG.
音圧信号取得部31は、図1,図2に示す音センサ5でピックアップされてデータ収集装置20でA/D変換された音圧信号を取得する役割りを担っている。この音圧信号取得部31は、ノートPCのハードウエア上は、データ入力ポートおよび入力インタフェース回路が担当する。
The sound pressure
また、角度信号取得部32は、図1,図2に示すECU6から取り出されてデータ収集装置20を経由してきた角度信号を取得する役割りを担っている。この角度信号取得部32も、ハードウエア上はデータ入力ポートおよび入力インタフェースが担当している。
Further, the angle
ここで、これら音圧信号取得部31および角度信号取得部32は、本発明にいう、原信号取得部および角度情報取得部の各一例に相当する。また、音圧信号取得部31で取得される音圧信号は本発明にいう原信号の一例に相当する。
Here, the sound pressure
非周期信号抽出部33は、音圧信号取得部31で取得した音圧信号に適応線スペクトル強調器を作用させることにより、その音圧信号に含まれる周期成分が抑制されてその音圧信号の、ノッキングにより発生する振動に起因する音圧成分を含む非周期成分が強調された非周期信号を抽出する。
The non-periodic signal extraction unit 33 operates the adaptive line spectrum enhancer on the sound pressure signal acquired by the sound pressure
図4は、適応線スペクトル強調器を示したブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing an adaptive line spectrum enhancer.
この図4において、
nは、音圧信号取得部31におけるA/D変換により得られた音圧信号のサンプリン グ点の番号、
dは、音圧信号に含まれる周期成分、
kは、音圧信号に含まれる、ノッキングに起因する音圧を含む非周期信号、
vは、観測雑音、
rは、d+k+vからなる観測信号、
uは、rの遅延信号、
yは、適応フィルタの出力信号、
e=k+vは、観測信号rと適応フィルタの出力信号yとの差分信号
である。
In FIG. 4,
n is the sampling point number of the sound pressure signal obtained by the A / D conversion in the sound pressure
d is a periodic component included in the sound pressure signal;
k is an aperiodic signal including sound pressure caused by knocking included in the sound pressure signal;
v is the observation noise,
r is an observation signal consisting of d + k + v,
u is a delayed signal of r,
y is the output signal of the adaptive filter,
e = k + v is a difference signal between the observation signal r and the output signal y of the adaptive filter.
ここで、この図4に示す適応線スペクトル強調器を構成する適応フィルタでは Here, in the adaptive filter constituting the adaptive line spectrum enhancer shown in FIG.
ここで、
wは、適応フィルタのフィルタ係数、
L+1は、適応フィルタのタップ数、
ηは、ステップゲイン、
βは、忘却係数、
uは、rの遅延信号であって、適応フィルタへの入力信号、
εは、入力信号uの平均パワー、
eは、観測信号rと適応フィルタの出力信号yとの差分信号、
であって、
w(n),u(n)は、それぞれ、
here,
w is the filter coefficient of the adaptive filter,
L + 1 is the number of taps of the adaptive filter,
η is the step gain,
β is the forgetting factor,
u is a delayed signal of r and is an input signal to the adaptive filter;
ε is the average power of the input signal u,
e is a difference signal between the observation signal r and the output signal y of the adaptive filter;
Because
w (n) and u (n) are respectively
図4に示す適応線スペクトル強調器の適応フィルタにおいて、上記の演算を繰り返すことにより、図4に示すように、
e(n)=k(n)+v(n) ・・・(5)
という、観測信号r(n)から周期信号d(n)が除かれた非周期信号が抽出される。
In the adaptive filter of the adaptive line spectrum enhancer shown in FIG. 4, by repeating the above calculation, as shown in FIG.
e (n) = k (n) + v (n) (5)
That is, a non-periodic signal obtained by removing the periodic signal d (n) from the observed signal r (n) is extracted.
ここでは、このようにして抽出された非周期信号に基づいてノッキング検出が行なわれる。 Here, knocking detection is performed based on the aperiodic signal thus extracted.
適応線スペクトル強調器自体は、従来より知られている演算器であり、ここでは、この適応線スペクトル強調器についてのこれ以上の説明は省略する。 The adaptive line spectrum enhancer itself is a conventionally known arithmetic unit, and further description of the adaptive line spectrum enhancer is omitted here.
図5は、非周期信号抽出部の入力信号と出力信号の一例を示した図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an input signal and an output signal of the aperiodic signal extraction unit.
ここには、分かり易さのためにエンジンの筒内圧力変化を表す圧力信号(A)も示してある。この圧力信号(A)は、エンジンを加工して筒内に圧力センサを設置し、その圧力センサでピックアップした信号である。 Here, a pressure signal (A) representing an in-cylinder pressure change of the engine is also shown for easy understanding. The pressure signal (A) is a signal picked up by processing the engine and installing a pressure sensor in the cylinder.
また、図5(B)は、非周期信号抽出部33への入力信号であって、音圧信号取得部31で取得した音圧信号であり、図5(C)は、非周期信号抽出部33からの出力信号であって、非周期信号抽出部33で抽出された非周期信号である。
5B is an input signal to the non-periodic signal extraction unit 33 and is a sound pressure signal acquired by the sound pressure
この図5において、時間領域T1はノッキングの発生のない領域であり、時間領域T2はノッキングの発生が見られる領域である。図5(C)の非周期信号は、図5(B)に示す音圧信号の中の周期成分が取り除かれており、ノッキングに起因する信号が抽出されている。 In FIG. 5, a time region T1 is a region where knocking does not occur, and a time region T2 is a region where occurrence of knocking is observed. The periodic component in the sound pressure signal shown in FIG. 5B is removed from the non-periodic signal in FIG. 5C, and a signal resulting from knocking is extracted.
なお、図5(A)と、図5(B),(C)とで時間領域T1,T2が時間軸方向(横軸方向)にずれているように示されているが、これは、エンジン筒内の圧力を圧力センサでピックアップするタイミングと、その圧力変化による振動に伴う音をピックアップするタイミングとの間に、音の伝播時間等の遅延が発生しているためである。 In FIG. 5A and FIGS. 5B and 5C, the time regions T1 and T2 are shown to be shifted in the time axis direction (horizontal axis direction). This is because a delay such as sound propagation time occurs between the timing at which the pressure in the cylinder is picked up by the pressure sensor and the timing at which the sound accompanying vibration due to the pressure change is picked up.
図3に示す信号切出部34は、角度信号取得部32で取得された角度信号を参照して、非周期信号抽出部33で抽出された非周期信号(図5(C))の中から特定の角度範囲内(図5に示す時間領域T1,T2)の信号を、各周期ごとに繰り返し切り出す。
The
ここでは、1回転1パルスの回転速度パルスの発生を契機にして、クランク角度パルスを計数し、その計数値に基づいてノッキングが発生し得る角度範囲を決定し、図5に示す非周期信号のうち、その決定された角度範囲(ここでは、図5に示す時間領域T1,T2,・・・)内の非周期信号が切り出される。具体的には、ここでは、点火位置やTDC(Top Dead Center)を含む、点火位置やTDC付近から約90度の角度範囲内の非周期信号が切り出される。 Here, the crank angle pulse is counted in response to the generation of the rotation speed pulse of one rotation, the angle range where knocking can occur is determined based on the counted value, and the non-periodic signal shown in FIG. Among these, the non-periodic signal in the determined angle range (here, time regions T1, T2,... Shown in FIG. 5) is cut out. Specifically, here, an aperiodic signal within an angle range of about 90 degrees from the ignition position and the vicinity of TDC, including the ignition position and TDC (Top Dead Center), is cut out.
ここで、本実施形態では、点火タイミングが変更されても切出し角度範囲は固定されたままである。ただし、点火タイミングの変更に応じて切出しの角度範囲を変更してもよい。 Here, in the present embodiment, the cut-out angle range remains fixed even when the ignition timing is changed. However, the angle range of cutting may be changed according to the change in the ignition timing.
また、本実施形態では、1回転720パルスのクランク角度パルスを計数することで切出し角度範囲を決定しているが、1回転1パルスの回転パルスのみに基づいて、隣接する回転パルスの間隔からエンジン回転速度(1回転に要する時間)を求め、その1回転に要する時間の中の特定の時間領域を切出し角度範囲としてもよい。あるいは回転パルスなどによる角度の原点情報と、クランク角度パルスよりも分解能の低い角度信号とに基づいて、切出し角度範囲を決定してもよい。 Further, in this embodiment, the cut-out angle range is determined by counting the crank angle pulses of 720 pulses per rotation. However, based on only the rotation pulses of one rotation and one pulse, the engine is determined from the interval between adjacent rotation pulses. A rotation speed (time required for one rotation) is obtained, and a specific time region in the time required for one rotation may be set as a cut-out angle range. Alternatively, the cut-out angle range may be determined based on angle origin information by a rotation pulse or the like and an angle signal having a resolution lower than that of the crank angle pulse.
信号切出部34で切り出された非周期信号は、差分バイコヒーレンス算出部35に入力され、差分バイコヒーレンスが算出される。
The aperiodic signal cut out by the
図6は、図3に示す差分バイコヒーレンス算出部における処理の流れを示した図である。 FIG. 6 is a diagram showing a flow of processing in the differential bicoherence calculation unit shown in FIG.
この差分バイコヒーレンス算出部35における演算処理は、計測前の準備段階における演算処理と計測時の演算処理とに分けられる。図6の上段は計測前の準備段階における処理であり、下段は計測時の処理である。ここでは、計測前の準備段階における信号や算出値に、「第1の信号」、「第1の・・・」のように「第1」を付し、計測時における信号や算出値に、「第2の信号」、「第2の・・・」のように「第2」を付すことで、互いを区別している。ただし、計測前の準備段階と計測時との双方に共通する内容については、例えば単に「信号」と称するように、「第1」も「第2」も付さずに表記する。
The calculation process in the differential
計測前の準備段階では、ノッキングが発生していない第1の期間内において、信号切出部34(図3参照)によりエンジン回転の各周期ごとに切り出された第1の信号が順次、この差分バイコヒーレンス算出部35に入力されて、FFT(Fast Fourier Transform)の算出351が行なわれる。
In the preparatory stage before the measurement, the first signal cut out for each cycle of the engine rotation by the signal cutout unit 34 (see FIG. 3) in the first period in which knocking has not occurred is sequentially calculated as the difference. The
ここでは、信号切出部34で切り出された非周期信号を、
x(t)・・・(6)
で表わす。ここで、tは時刻を表わしている。
Here, the aperiodic signal cut out by the
x (t) (6)
It expresses by. Here, t represents time.
この非周期信号x(t)にFFT処理が施され、周波数データ
F(f)・・・(7)
が算出される。
This non-periodic signal x (t) is subjected to FFT processing, and frequency data F (f) (7)
Is calculated.
そして、切り出された信号x(t)にFFT処理を施すことにより得られた周波数データF(f)に基づいてバイスペクトル
B(f1,f2)=F(f1)F(f2)F*(f1+f2)・・・(8)
の算出352が行なわれる。ここで、f1,f2は周波数、*は複素共役を表わしている。
Then, bispectrum B (f 1 , f 2 ) = F (f 1 ) F (f 2 ) based on frequency data F (f) obtained by subjecting the cut signal x (t) to FFT processing. F * (f 1 + f 2 ) (8)
Is calculated 352. Here, f 1 and f 2 are frequencies, and * is a complex conjugate.
計測前の準備段階では、(n−1)周期分にわたって各周期ごとに第1の信号x(t)の切出し、およびFFT算出351が行なわれて、各周期ごとの第1のバイスペクトルBi(f1,f2)、i=1,2,・・・,n−1の算出352が行なわれる。ここで、nは、正の整数であり、予備実験等によりあらかじめ適切な値(例えばn=30)が決定されている。あるいは、nを様々に変化させて、後述する差分バイコヒーレンスの統計値算出/評価354の演算により適切なnを定めてもよい。
In the preparatory stage before the measurement, the first signal x (t) is cut out for each period and the
(n−1)周期分の、すなわち(n−1)個の第1のバイスペクトルの算出352が行なわれると、次に、それら(n−1)個の第1のバイスペクトルを使って、第1のバイコヒーレンスの算出353が行なわれる。
Once (n-1) periods, ie, (n-1)
ここで、この第1のバイコヒーレンスの算出にあたり、本来のバイコヒーレンス算出の式はバイスペクトルを正規化する式(9)の算出式 Here, in calculating the first bicoherence, the original bicoherence calculation formula is the calculation formula of the formula (9) for normalizing the bispectrum.
式(9)あるいは式(10)は、複数のバイスペクトルBi(f1,f2)を平均化するとともに正規化するものである。ここで、本実施形態において、式(10)を採用するのは、本来のバイコヒーレンスの式である式(9)に従うと、値b(f1,f2)が「1」を越えることがあり、これに対し式(10)を採用すると値b(f1,f2)は厳密に「0〜1」の範囲内の値となり、その後の演算上の取扱いが容易だからである。ただし、本発明における正規化値を算出する式として、式(9)を採用することを妨げるものではない。 Equation (9) or equation (10) is to normalize with averaging a plurality of bispectral B i (f 1, f 2 ). Here, in this embodiment, the expression (10) is adopted because the value b (f 1 , f 2 ) exceeds “1” according to the expression (9) which is the original bicoherence expression. On the other hand, when the expression (10) is adopted, the value b (f 1 , f 2 ) is strictly a value in the range of “0 to 1”, and the subsequent calculation is easy. However, this does not preclude the use of equation (9) as the equation for calculating the normalized value in the present invention.
更に、この準備段階では、(n−1)個の第1のバイスペクトルと、それらから算出される第1のバイコヒーレンスが算出された後も、新たな(n−1)個の第1のバイスペクトルが入力されるたびに、第1のバイコヒーレンスを算出する。そして得られた多数の第1のバイコヒーレンスの中から、バイコヒーレンスのf1=f2のライン上の成分が最も小さな第1のバイコヒーレンスと、その元となった(n−1)個の第1のバイスペクトルとを、基準のバイコヒーレンス、バイスペクトルとして保持し、計測時に、n−1個の第1のバイスペクトル、そのバイスペクトルから算出された第1のバイコヒーレンスとして演算に用いられる。また、基準に選ばれなかった複数バイコヒーレンスの元となったバイスペクトルを、次工程の統計処理で再利用するため、保持しておいてもよい。 Furthermore, in this preparation stage, after (n−1) first bispectrums and the first bicoherence calculated from them are calculated, new (n−1) first bispectrums are calculated. Each time a bispectrum is input, a first bicoherence is calculated. Among the obtained first bicoherences, the first bicoherence having the smallest component on the line of f1 = f2 of the bicoherence and the (n-1) first bicoherences that are the basis of the first bicoherence. Are stored as reference bicoherence and bispectrum, and are used for calculation as n-1 first bispectrums and first bicoherence calculated from the bispectrum at the time of measurement. In addition, the bispectrum that is the basis of a plurality of bicoherences not selected as a reference may be retained in order to be reused in the statistical process of the next process.
次に、1周期から切り出された新たな第1の信号が入力されると、その新たな1周期における第1の信号についてもFFT算出351が行なわれ、第1のバイスペクトル算出352が行なわれる。そして、保持した(n−1)個の第1のバイスペクトルに、今回新たに算出された1個のバイスペクトルを加えた、合計(n)個のバイスペクトルに基づいて、新たな第1のバイコヒーレンスが算出される。
Next, when a new first signal cut out from one period is input,
そしてさらに、この第1のバイコヒーレンスから、前段で選定しておいた基準のバイコヒーレンスを各周波数(f1,f2)ごとに減算することで第1の差分バイコヒーレンスの算出を行う。これが順次、新たな1周期から切り出された新たな第1の信号が入力されるたびに繰り返され、
多数個(ここではm個とする)の第1の差分バイコヒーレンスが算出される。
Further, the first differential bicoherence is calculated by subtracting the reference bicoherence selected in the previous stage for each frequency (f 1 , f 2 ) from the first bicoherence. This is repeated each time a new first signal cut out from a new period is input,
A large number (here, m) of first differential bicoherences are calculated.
ここでは、1周期から切り出された新たな第1の信号を入力としたが、演算時間短縮のために、前段において基準に選ばれなかった複数のバイコヒーレンスの元となったバイスペクトルを入力として再利用し、m個の第1の差分バイコヒーレンスを算出しても良い。 Here, a new first signal cut out from one cycle is used as input. However, in order to shorten the calculation time, a bispectrum that is the source of a plurality of bicoherences that were not selected as a reference in the previous stage is used as input. It may be reused and m first differential bicoherences may be calculated.
その後、差分バイコヒーレンスの統計値算出/評価354の処理が行なわれる。
After that, processing of statistical value calculation /
この差分バイコヒーレンスの統計値算出/評価354では、差分バイコヒーレンスを順次算出した後、それら複数の差分バイコヒーレンスそれぞれについて、かつ、エンジンの今回関心のある1つ又は複数の振動モードそれぞれについて、各振動モードの固有振動数近傍の周波数帯域における代表値が算出される。この代表値の算出は、計測時にも行なわれるアルゴリズムであり、代表値算出のアルゴリズムの説明は、後述する計測時の説明に委ねることとする。各差分バイコヒーレンスについて、各振動モードごとの代表値が算出されると、さらに、各振動モードごと、かつ各サイクル数ごとに代表値の平均値および標準偏差が算出される。これらの平均値や標準偏差は指標値算出部36に入力される。またここでは、代表値の平均値および標準偏差の算出に使用された差分コヒーレンスから算出された代表値どうしの差分値が算出され、その差分値があらかじめ定められた小さい値の範囲内に安定していることをもって、ノッキングが発生していない状態にあると評価される。この各差分バイコヒーレンスは、回転速度(r/min)毎に保持して利用することもできる。
In this differential bicoherence statistical value calculation /
なお、前述したnの値については、nの値を変更した様々な第1のバイコヒーレンスを算出して、それら様々な第1のバイコヒーレンスに基づいて上記と同様な評価を行ない、平均値や標準偏差が最も安定しているnの値を選択することで、nの値を決定してもよい。 As for the value of n described above, various first bicoherences obtained by changing the value of n are calculated, and evaluation similar to the above is performed based on the various first bicoherences. The value of n may be determined by selecting the value of n where the standard deviation is most stable.
次に差分バイコヒーレンス算出部35における計測時の演算処理について説明する。
Next, calculation processing at the time of measurement in the differential
以下の処理は、ノッキングが発生しているおそれがある第2の期間について行なわれる。 The following processing is performed for the second period during which knocking may occur.
ここでも準備段階のときと同様、信号切出部34で切り出された非周期信号(ここでは計測時なので「第2の信号」と称する)にFFT算出355の処理が施されて第2の周波数データF(f)が算出される。次いで、この第2の周波数データF(f)に基づいて第2のバイスペクトル算出356が行なわれる。
Here, as in the preparation stage, the non-periodic signal cut out by the signal cutout unit 34 (here, referred to as “second signal” because of measurement) is subjected to the
さらに、今度は、準備段階において、ノッキングが発生していないことが分かっている第1の期間内に算出された(n−1)周期分の第1のバイスペクトルBi、i=1,2,・・・,n−1と、今回算出された1周期分の第2のバイスペクトルB_Tとを合わせた、合計n周期分のバイスペクトルに基づく、第2のバイコヒーレンス算出357が行なわれる。そしてさらに、この第2のバイコヒーレンスから、準備段階で算出しておいた第1のバイコヒーレンスを各周波数(f1,f2)ごとに減算することで差分バイコヒーレンスの算出358が行なわれる。
Furthermore, this time, in the preparation stage, the first bispectrum B i , i = 1, 2 for (n−1) periods calculated within the first period during which it is known that knocking has not occurred. ,..., N−1 and the second bispectrum B_T for one period calculated this time are combined to perform a
ここでの差分バイコヒーレンスは、 The differential bicoherence here is
Bi,i=1,2,・・・,n−1は、準備段階で算出しておいた(n−1)周期分の第1のバイスペクトル
B_Tは、計測時において今回算出された第2のバイスペクトル
b(f1,f2)は、準備段階で算出しておいた第1のバイコヒーレンス
である。
ここで、この式(11)は、バイスペクトルの算出にあたって式(10)を用いた場合の式である。式(9)を用いて第1のバイコヒーレンスおよび第2のバイコヒーレンスを算出して、それらの差分バイコヒーレンスを算出してもよい。 Here, this expression (11) is an expression when the expression (10) is used in the calculation of the bispectrum. The first bicoherence and the second bicoherence may be calculated using equation (9), and the differential bicoherence thereof may be calculated.
この計測時においても、さらに新たな1周期から切り出された新たな第2の信号が入力されると、その新たな1周期における新たな第2の信号についてもFFT算出355が行なわれ、新たな第2のバイスペクトル算出356が行なわれる。そして、今度は、準備段階において算出された(n−1)周期分の第1のバイスペクトルはそのままにして、その(n−1)周期分の第1のバイスペクトルに、前回算出された第2のバイスペクトルに代えて今回新たに算出された第2のバイスペクトルを加えたn周期分のバイスペクトルに基づいて新たな第2のバイコヒーレンスの算出357が行なわれる。さらにその新たに算出された第2のバイコヒーレンスから、準備段階において算出された第1のバイコヒーレンスが減算されて新たな差分バイコヒーレンスの算出358が行なわれる。これが繰り返し実行され、順次新たな差分バイコヒーレンスが算出される。
Even during this measurement, when a new second signal cut out from a new one period is input, the
図7は、差分バイコヒーレンス算出部における差分バイコヒーレンス算出処理の概念図である。 FIG. 7 is a conceptual diagram of differential bicoherence calculation processing in the differential bicoherence calculation unit.
ここでは、図6を参照して説明した、図3に示す差分バイコヒーレンス算出部35における演算の中核となる差分バイコヒーレンス算出処理について説明する。
Here, the differential bicoherence calculation process which is the core of the calculation in the differential
ここでは、計測前の準備段階において、(n−1)周期のそれぞれについて信号切出し、FFT処理、およびバイスペクトルの算出が行なわれ、(n−1)個のバイスペクトルが算出される(I)。そしてさらに、その(n−1)個のバイスペクトルから第1のバイコヒーレンスが算出される(II)。 Here, in the preparatory stage before measurement, signal extraction, FFT processing, and bispectrum calculation are performed for each (n-1) period, and (n-1) bispectrums are calculated (I). . Further, a first bicoherence is calculated from the (n−1) bispectrums (II).
ここで、バイコヒーレンスは、前述の式(9)あるいは式(10)で表わされる通り、2つの周波数f1,f2の変数で表現される関数である。そこで、この図7における(B)および後述する(D)では、横軸が周波数f1,縦軸が周波数f2で表わされている。このバイコヒーレンスは、f1=f2の対角線92に対して対称形であり、したがってここでは、f1≧f2の領域(ハッチングの領域)のみバイコヒーレンスの値が算出される。 Here, bicoherence is a function expressed by variables of two frequencies f 1 and f 2 , as expressed by the above formula (9) or formula (10). Therefore, in FIG. 7B and (D) described later, the horizontal axis is represented by frequency f 1 and the vertical axis is represented by frequency f 2 . This bicoherence is symmetric with respect to the diagonal 92 of f 1 = f 2 , and therefore, here, the bicoherence value is calculated only in the region of f 1 ≧ f 2 (hatched region).
さらに、今度は計測時において、1周期分の原信号の中から切出し範囲内の信号が切り出されてFFT処理およびバイスペクトルの算出が行なわれ(III)、さらにその1周期のバイスペクトルと、計測前に算出しておいた(n−1)周期分の(n−1)個のバイスペクトルとを合わせた、合計n個のバイスペクトルに基づく第2のバイコヒーレンスの算出が行なわれる(IV)。そしてさらに、この第2のバイコヒーレンスから、準備段階で算出しておいた第1のバイコヒーレンスが減算されて、差分バイコヒーレンスが算出される(V)。 Further, at the time of measurement, a signal within the extraction range is extracted from the original signal for one period, and FFT processing and bispectrum calculation are performed (III). A second bicoherence is calculated based on a total of n bispectrums, which is a sum of (n-1) bispectrums of (n-1) periods calculated previously (IV). . Further, the first bicoherence calculated in the preparation stage is subtracted from the second bicoherence to calculate the differential bicoherence (V).
図8は、差分バイコヒーレンスの算出結果の一例を示した図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a calculation result of differential bicoherence.
この図8は、1kHzの正弦波信号と2kHzの正弦波信号を重畳した信号に対して、上記の演算により算出された差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)を表わしている。横軸も縦軸も周波数であって、例えば横軸がf1,縦軸がf2である。 FIG. 8 shows the differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) calculated by the above calculation for a signal obtained by superimposing a 1 kHz sine wave signal and a 2 kHz sine wave signal. Both the horizontal axis and the vertical axis are frequencies. For example, the horizontal axis is f 1 and the vertical axis is f 2 .
この図8には、f1=f2の対角線上であって、f1,f2=1kHzの位置に大きな値aが表われている。このように、差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)は、分析対象としている信号に、ある周波数成分(ここではfとする)とその2倍の周波数成分(2f)とからなる2次の調和成分に変化があったときに、f1=f2の対角線上の、f1=f2=fの位置に大きな値が表われるという性質がある。 In FIG. 8, a large value a appears on the diagonal line of f 1 = f 2 and at positions f 1 and f 2 = 1 kHz. Thus, the differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) is a quadratic order composed of a certain frequency component (here, f) and twice the frequency component (2f) in the signal to be analyzed. when there is a change in the harmonic components, the diagonal of f 1 = f 2, a large value at the position of f 1 = f 2 = f is the property that would appear.
ノッキングは、エンジンの一種の共振現象であり、ノッキングが発生すると気筒内に衝撃波が発生し、エンジンの振動や音に、そのエンジンの、ある1つの固有振動数(共振周波数)の成分とその高調波成分(特に2倍の周波数成分)が出現する。ここでは、この点に着目し、差分バイコヒーレンスをノッキングの検出に採用して成功したものである。 Knocking is a kind of resonance phenomenon of the engine. When knocking occurs, a shock wave is generated in the cylinder, and the vibration and sound of the engine includes a certain natural frequency (resonance frequency) component and its harmonics. Wave components (especially double frequency components) appear. Here, focusing on this point, differential bicoherence has been successfully adopted for the detection of knocking.
図3における差分バイコヒーレンス算出部35で算出された差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)は、指標値算出部36に入力される。
The differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) calculated by the differential
図9は、図3に示す指標値算出部における演算処理内容を示したブロック図である。 FIG. 9 is a block diagram showing the calculation processing contents in the index value calculation unit shown in FIG.
この指標値算出部36では、計測前の準備段階において閾値算出361が行なわれる。他の演算処理は計測時に行なわれる。
In this index
閾値算出361にあたっては、差分バイコヒーレンス算出部35から、エンジンの関心のある振動モードごとの代表値の平均値μと標準偏差σを受け取り、閾値TRが、
TRm=αm×σm+μm・・・(12)
ただし、
TRmは、振動モードmの閾値
αmは、振動モードmごとに設定された係数
σmは、ノッキングが発生していない状態における振動モードmの代表値の標準 偏差
μmは、ノッキングが発生していない状態における振動モードmの代表値の平均 値
に従って算出される。
In the
TR m = α m × σ m + μ m (12)
However,
TR m is the threshold value of vibration mode m α m is the coefficient set for each vibration mode m σ m is the standard deviation of the representative value of vibration mode m in the state where knocking has not occurred μ m is knocking It is calculated according to the average value of the representative values of the vibration mode m in the state where it is not.
また、この指標値算出部36では、計測時において、特徴量算出362と代表値算出363が行なわれる。ここで、特徴量は、各周波数における2次の調和成分の、準備段階と計測時との間での変化量を表わし、代表値は各振動モードごと、かつ各サイクル数ごとの特徴量の代表値を表わしている。
Further, the index
図10は、特徴量算出処理をモデル化して示した図である。 FIG. 10 is a diagram showing a model of the feature amount calculation process.
上述の通り、差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)を算出すると、その分析対象の信号に2次の調和成分(周波数fと2f)に変化(ノッキングの発生のない第1の期間からの変化)があったときに、対角線上のf1=f2=fの位置に大きな値が表われる。 As described above, when the differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) is calculated, the signal to be analyzed changes to a second harmonic component (frequency f and 2f) (from the first period in which knocking does not occur). When there is a change), a large value appears at a position of f 1 = f 2 = f on the diagonal line.
そこで図10(A)に示す例では、差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)の対角線f1=f2上のデータが抽出され、その抽出されたデータがf1=f2=fにおける特徴量とされている。 Therefore, in the example shown in FIG. 10A, data on the diagonal line f 1 = f 2 of the differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) is extracted, and the extracted data is at f 1 = f 2 = f. It is regarded as a feature quantity.
また、図10(B)は、対角線f1=f2上の点を中心とする3×3の領域内のデータの平均値が算出され、その平均値がf1=f2=fにおける特徴量とされる。 In FIG. 10B, the average value of the data in the 3 × 3 region centered on the point on the diagonal line f 1 = f 2 is calculated, and the average value is a feature when f 1 = f 2 = f. It is taken as a quantity.
ここで、3×3の領域とはいっても、バイコヒーレンスの性質上、差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)のf1=f2の対角線を対称軸とするf1>f2の領域とf1<f2の領域とで同一のデータがあらわれる。そこでここでは、3×3の領域のうちf1≧f2の領域の6つのデータの平均値が算出され、その平均値がその周波数f1=f2=fの特徴量とされる。 Here, although it is a 3 × 3 region, the region of f 1 > f 2 with the diagonal line of f 1 = f 2 of the differential bicoherence b_sub (f 1 , f 2 ) as the symmetry axis due to the property of bicoherence And the same data appear in the region of f 1 <f 2 . Therefore, here, an average value of six data in the region of f1 ≧ f2 out of the 3 × 3 region is calculated, and the average value is set as a feature amount of the frequency f 1 = f 2 = f.
理論上はf1=f2の対角線上に2次の調和成分の大きさを表わす数値が表われるものの、演算の誤差等により少しずれた位置に表われることも考えられる。そこで、図10(B)の例では、3×3の領域内のデータの平均値を特徴量として採用している。なお、ここでは平均値を採用しているが、その3×3の領域内の最大値を、その領域の中心の周波数f1=f2=fにおける特徴量としてもよい。その他、2次の調和成分の変化のレベルを表わす量であれば特徴量として採用し得る。 Theoretically, a numerical value representing the magnitude of the second harmonic component appears on the diagonal line of f 1 = f 2 , but it may also appear at a slightly deviated position due to a calculation error or the like. Therefore, in the example of FIG. 10B, the average value of the data in the 3 × 3 region is adopted as the feature amount. Although an average value is used here, the maximum value in the 3 × 3 region may be used as the feature amount at the frequency f 1 = f 2 = f at the center of the region. In addition, any amount representing the level of change in the secondary harmonic component can be adopted as the feature amount.
ここで、以上の非周期信号の切出しから特徴量の算出までの一連の処理は、エンジンの各サイクル数ごとに繰り返し実行される。 Here, the series of processes from the extraction of the non-periodic signal to the calculation of the feature amount is repeatedly executed for each number of cycles of the engine.
図11は、図3における指標値算出部で実行される、代表値算出処理をモデル化して示した図である。 FIG. 11 is a diagram showing a model of representative value calculation processing executed by the index value calculation unit in FIG.
図11(A)には、多数のサイクル数にわたる、各サイクル数ごとの多数の差分バイコヒーレンスの算出結果が概念的に示されている。 FIG. 11A conceptually shows a number of differential bicoherence calculation results for each number of cycles over a large number of cycles.
図3における差分バイコヒーレンス算出部35では、あらかじめ定めておいた所要のサイクル数範囲内について、各サイクル数ごとに差分バイコヒーレンスb_sub(f1,f2)が算出され、指標値算出部36では、それら各サイクル数ごとに特徴量が算出される。各サイクル数ごとの特徴量は周波数fの関数である。
In the differential
図11(B)は、各サイクル数ごとの特徴量を周波数とサイクル数を変数とした2次元平面上に並べて表現した図である。縦軸は、特徴量である。 FIG. 11B is a diagram in which feature quantities for each number of cycles are arranged side by side on a two-dimensional plane with the frequency and the number of cycles as variables. The vertical axis is the feature quantity.
周波数方向に延びる複数の矩形は、その矩形内の一列の特徴量が、1つのサイクル数について算出された、周波数fの関数としての特徴量であることを表わしている。 The plurality of rectangles extending in the frequency direction indicate that the feature amount in one row in the rectangle is a feature amount as a function of the frequency f calculated for one cycle number.
図11(C)は、図11(B)と同一の特徴量分布を表わした図である。ただし、この図11(C)には、いくつかの周波数についてサイクル数方向に延びる楕円が示されている。すなわち、ここでは、いくつかの特定の周波数における、サイクル数を変数とした特徴量に着目する。これらいくつかの特定の周波数は、エンジンの固有振動数(共振周波数)に対応している。 FIG. 11C shows the same feature quantity distribution as FIG. 11B. However, FIG. 11C shows an ellipse extending in the cycle number direction for several frequencies. That is, here, attention is paid to the feature quantity with the number of cycles as a variable at some specific frequencies. These several specific frequencies correspond to the natural frequency (resonance frequency) of the engine.
図12は、エンジンの固有振動数(共振周波数)の説明図である。 FIG. 12 is an explanatory diagram of the natural frequency (resonance frequency) of the engine.
エンジンの固有振動数(共振周波数)fp,qは、 The natural frequency (resonance frequency) fp, q of the engine is
Brは、ボア径
p,qは、振動モード
Ρp,qは、振動モード(p,q)における定数
を表わしている。
Br is the bore diameter
p and q are vibration modes
Ρp, q represents a constant in the vibration mode (p, q).
図12に示すように、例えば振動モードが(1,0)モードのときは、定数Ρ1,0=1.841であり、ボア径Brが87mmのときの固有振動数(共振周波数)は、f1,0=6712Hzである。他の振動モード(p,q)のときも同様である。「気筒内振動モード」の図は、ボア内の気体の振動の様子を図解したものである。 As shown in FIG. 12, for example, when the vibration mode is the (1, 0) mode, the constant 1,0 1,0 = 1.841, and the natural frequency (resonance frequency) when the bore diameter Br is 87 mm is f 1,0 = 6712 Hz. The same applies to other vibration modes (p, q). The “in-cylinder vibration mode” diagram illustrates how the gas in the bore vibrates.
ここには、固有振動数(共振周波数)fp,qの低い順に(3,0)モードまで示されている。解析学的にはさらに高次の振動モードも存在するが、エンジン試験で実用上重要なのは、ここに示した範囲内の振動モードである。 Here, the (3, 0) mode is shown in ascending order of the natural frequency (resonance frequency) fp, q. Analytically, there are higher order vibration modes. However, what is practically important in engine tests are vibration modes within the range shown here.
図11に戻って説明を続ける。 Returning to FIG. 11, the description will be continued.
図11(C)に示す長楕円は、各振動モードにおける、サイクル数を変数とした特徴量を囲っている。エンジンの固有振動数(共振周波数)は、式(13)で表わされるが、エンジンのその時々の運転状況によってエンジン内の温度が変化し、これにより音速Cが変化する。また、演算誤差等、様々な誤差要因もある。 A long ellipse shown in FIG. 11C encloses a feature quantity with the number of cycles as a variable in each vibration mode. The natural frequency (resonance frequency) of the engine is expressed by Equation (13), and the temperature in the engine changes depending on the operating condition of the engine, and the sound speed C changes accordingly. There are also various error factors such as calculation errors.
そこで、各振動モードごとにサーチの周波数帯域を定め、各サイクル数ごとにその周波数帯域内の特徴量の最大値を探索し、探索された最大値を、その振動モードの、そのサイクル数の代表値とする。ただし、最大値を代表値とするのではなく、その周波数帯域内の特徴量の複数のピーク値の平均値を算出するなど、そのサイクル数においてその振動モードのノッキングが発生しているか否かの指標となる指標値を算出する基になる値であればよい。 Therefore, the frequency band of the search is determined for each vibration mode, the maximum value of the feature amount in the frequency band is searched for each number of cycles, and the searched maximum value is represented by the number of cycles of the vibration mode. Value. However, whether or not knocking of the vibration mode has occurred in the number of cycles, such as calculating the average value of a plurality of peak values of feature values in the frequency band instead of using the maximum value as a representative value. Any value may be used as a basis for calculating an index value as an index.
図11(D)は、各振動モード(p,q)における、サイクル数を変数とする代表値を示している。この代表値は、0〜1の範囲内の値であり、1に近いほど強いノッキングが発生していることを表わしている。 FIG. 11D shows representative values with the number of cycles as a variable in each vibration mode (p, q). This representative value is a value in the range of 0 to 1, and the closer to 1, the stronger the knocking is occurring.
図3における指標値算出部36では、以上のようにしてサイクル数を変数とした代表値算出363が行なわれる。
In the index
指標値算出部36では、上記のようにして、各振動モードm=(p,q)ごと、かつ各サイクル数ごとの代表値が算出された後、比較演算364および指標値算出365が行なわれる。
In the index
比較演算364では、
CAs,m=b_subs,m−TRm・・・(14)
ただし、
CAs,mは、各振動モードmごと、かつ各サイクル数sごとの差分値、
b_subs,mは、各振動モードmごと、かつ各サイクル数sごとの代表値、
TRmは、各振動モードmごとのノッキングが発生していない状態における代表値の平均値
である。
In the
CA s, m = b_sub s, m -TR m (14)
However,
CA s, m is a difference value for each vibration mode m and for each cycle number s,
b_sub s, m is a representative value for each vibration mode m and for each cycle number s,
TR m is an average value of representative values in a state where knocking does not occur for each vibration mode m.
指標値算出365では、式(14)の差分値を使って、
In the
ここで、
indexsは、各サイクル数sごとの指標値、
Ks,mは、CAs,mがプラスのときに‘1’、マイナスのときに‘0’の値となる係数
である。
here,
index s is an index value for each cycle number s,
K s, m is a coefficient that takes a value of “1” when CA s, m is positive and “0” when it is negative.
すなわち、ここでは、各サイクル数ごとに、2次の調和成分の大きさと複数の振動モードへの出現数とに応じた指標値が算出される。 That is, here, for each number of cycles, an index value corresponding to the magnitude of the secondary harmonic component and the number of appearances in a plurality of vibration modes is calculated.
また、算出された指標値を使用して、指定サイクル数中のノッキング発生有りの割合であるノッキング発生率と、回転速度からの単位時間当たりのエンジン行程数の積から算出した、単位時間当たりの平均ノッキング回数の値も指標値とすることができる。この指標値は聴感におけるノッキング指標と相関が高い。 In addition, using the calculated index value, the knocking occurrence rate, which is the ratio of occurrence of knocking in the specified number of cycles, and the product of the number of engine strokes per unit time from the rotational speed are calculated per unit time. The value of the average number of knocks can also be used as an index value. This index value is highly correlated with the knocking index in the auditory sense.
このようにして算出された指標値は、図3の情報提示部37に入力される。
The index value calculated in this way is input to the
情報提示部37では、指標値算出部36で算出された指標値に由来する情報、例えば、指標値の大きさに応じた長さや色の棒グラフ等が提示される。具体的には、例えばそのような棒グラフ等を表わす画像情報が作成されて図1,図2に示す操作盤40に送られる。操作盤40では、送られてきた画像情報に基づく画像がモニタ画面40a上に表示されオペレータ50の観察に供される。あるいは、この情報提示部37は、必要に応じて、ノートPC30の表示画面30a上にも画像を表示する。
The
尚、情報提示部37による指標値由来の情報は、上記のようなグラフに限られるものではなく、オペレータ50によるノッキングの発生やノッキングの程度の評価に資する情報であればよい。また、情報提示方法は表示に限るものでもない。例えば、指標値を、閾値処理により、ノッキングなし、弱いノッキング有り、中程度のノッキング有り、強いノッキング有り等の複数の段階に区分けして、そのノッキングの現在の段階を表示し、あるいは音で知らせてもよい。さらには、指標値は、式(14)、式(15)により算出した値である必要はなく、代表値に基づいて算出される、ノッキングの指標となる値であればよい。
The information derived from the index value by the
図13は、ノッキング検出精度を示した図である。 FIG. 13 is a diagram illustrating knocking detection accuracy.
図13(A)は説明図、図13(B)は、比較例で、非周期信号を抽出せずに非周期信号抽出前の音圧信号(図5(B)参照)を切り出して得た信号に基づいて演算したときのノッキング検出精度を示した図、図13(C)は、実施例で、非周期信号を抽出し、その抽出した非周期信号(図5(C)参照)を切り出して得た信号に基づいて演算したときのノッキング検出精度を示した図である。 FIG. 13A is an explanatory diagram, and FIG. 13B is a comparative example, which is obtained by extracting the sound pressure signal (see FIG. 5B) before extracting the aperiodic signal without extracting the aperiodic signal. FIG. 13C is a diagram showing knocking detection accuracy when calculated based on a signal, and FIG. 13C is an example in which an aperiodic signal is extracted and the extracted aperiodic signal (see FIG. 5C) is cut out. It is the figure which showed the knocking detection precision when computing based on the signal obtained in this way.
また、ここでは、エンジンの筒内圧力を測定して得た圧力信号(図5(A)参照)に基づくノッキング検出も行っている。 Here, knocking detection based on a pressure signal (see FIG. 5A) obtained by measuring the in-cylinder pressure of the engine is also performed.
図13(A)は、予測値と判定の出力値が合っているか分析する為に、合致率の計算を分割表で表している。その際、実績を圧力データとし、予測を音データの判定結果とした場合、実績と予測の正例と負例をTure、False、Positive並びにNegativeの頭文字からTP、TN、FP、FNの4条件として表現する。 FIG. 13A shows the calculation of the match rate in a contingency table in order to analyze whether the predicted value matches the output value of the determination. At that time, when the result is pressure data and the prediction is the determination result of the sound data, positive and negative examples of the result and the prediction are 4 from TP, TN, FP, and FN from the initials of True, False, Positive, and Negative. Express as a condition.
D:テストデータ集合
Kp:圧力データでノックだと判断された集合
Np:圧力データでノックではないと判断された集合
Ks:音データでノックだと判断された集合
Ns:音データでノックではないと判断された集合
とする。
TP、TN、FP、FNの4条件に対して
D: Test data set Kp: Set determined to be knocked by pressure data Np: Set determined to be not knocked by pressure data Ks: Set determined to be knocked by sound data Ns: Not knocked by sound data A set determined to be
For 4 conditions of TP, TN, FP, FN
図13(B)と図13(C)とを比較すると、図13(B)の比較例と比べ図13(C)の実施例の方が、TP、TNがともに上昇している。これは、図3に示す非周期信号抽出部33を導入したことにより、ノッキングの検出精度が向上していることを表わしている。 Comparing FIG. 13B and FIG. 13C, both TP and TN are higher in the example of FIG. 13C than in the comparative example of FIG. 13B. This indicates that the detection accuracy of knocking is improved by introducing the non-periodic signal extraction unit 33 shown in FIG.
図14,図15は、これまで説明してきた演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 14 and FIG. 15 are flowcharts showing the flow of operations described so far.
ここで、図14は、計測時の準備段階における演算の流れを示したフローチャート、図15は、計測時における演算の流れを示したフローチャートである。 Here, FIG. 14 is a flowchart showing a flow of calculation in the preparation stage at the time of measurement, and FIG. 15 is a flowchart showing a flow of calculation in the measurement.
ここでは、エンジンの運転条件を一定に保ち、その一定の運転条件の下で図14,図15に示す処理が実行される。 Here, the operating conditions of the engine are kept constant, and the processing shown in FIGS. 14 and 15 is executed under the constant operating conditions.
先ず、図14に示す計測前の準備段階における演算について説明する。 First, the calculation in the preparatory stage before measurement shown in FIG. 14 will be described.
エンジンをある1つの回転速度で動作させておいて、ノッキングが発生していないと思われる第1の期間内において、音圧信号や角度信号(クランク角度パルスおよび回転パルス)を取得して(ステップS101)、適応線スペクトル強調器(図4参照)を使ったフィルタリング処理により非周期信号を抽出する(ステップS102)。そして、その非周期信号から、角度信号に基づいて決定された切出し角度範囲内の信号を切り出す(ステップS103)。 The engine is operated at a certain rotation speed, and a sound pressure signal and an angle signal (crank angle pulse and rotation pulse) are acquired within a first period in which knocking is not expected (step) S101), an aperiodic signal is extracted by a filtering process using an adaptive line spectrum enhancer (see FIG. 4) (step S102). Then, a signal within the cut angle range determined based on the angle signal is cut out from the non-periodic signal (step S103).
次に、その切り出した非周期信号をFFT処理し(ステップS104)、第1のバイスペクトル(式(8)参照)を算出する(ステップS105)。ここでは、ステップS101〜S105が(n−1)回繰り返されて(ステップS106)、得られたバイスペクトルに基づいて第1のバイコヒーレンス(式(10)参照)を算出する(ステップS107)。 Next, the cut out aperiodic signal is subjected to FFT processing (step S104), and a first bispectrum (see equation (8)) is calculated (step S105). Here, steps S101 to S105 are repeated (n-1) times (step S106), and the first bicoherence (see equation (10)) is calculated based on the obtained bispectrum (step S107).
順次新たに切り出された第1の信号を使って第1のバイコヒーレンスの算出が順次m回行なわれ(ステップS108)、ノッキングが発生していない状態にあるか否かが評価される(ステップS109)。ノッキングが発生していない旨、評価されると(ステップS110)、閾値TR(式(12)参照)が算出されて(ステップS111)、計測前の演算処理を終了する。 The first bicoherence is calculated m times sequentially using the first newly cut out first signal (step S108), and it is evaluated whether or not knocking has occurred (step S109). ). When it is evaluated that knocking has not occurred (step S110), a threshold value TR (see equation (12)) is calculated (step S111), and the calculation process before measurement is terminated.
ステップS109における評価の結果、ノッキングが発生していない状態にあるとは断定できないときは(ステップS110)、ステップS101に戻り、ステップS101〜S109の処理が繰り返される。 As a result of the evaluation in step S109, when it cannot be determined that knocking has not occurred (step S110), the process returns to step S101, and the processes in steps S101 to S109 are repeated.
次に、図15を参照して計測時における演算処理について説明する。 Next, calculation processing at the time of measurement will be described with reference to FIG.
計測時においても、エンジンを計測前と同じある1つの回転速度で動作させておいて、計測前(図14)と同様に、音圧信号や角度信号(クランク角度パルスおよび回転パルス)を取得して(ステップS201)非周期信号が抽出され(ステップS202)、切出し角度範囲内の非周期信号が切り出される(ステップS203)。 At the time of measurement, the engine is operated at one rotational speed that is the same as before measurement, and the sound pressure signal and angle signal (crank angle pulse and rotation pulse) are acquired in the same manner as before measurement (FIG. 14). (Step S201), an aperiodic signal is extracted (Step S202), and an aperiodic signal within the cut-out angle range is cut out (Step S203).
次に、その切り出した非周期信号をFFT処理し(ステップS204)、第2のバイスペクトル(式(8)参照)を算出する(ステップS205)。 Next, the cut out aperiodic signal is subjected to FFT processing (step S204), and a second bispectrum (see equation (8)) is calculated (step S205).
次に、このステップS205で算出した1周期分の第2のバイスペクトルと、図14のステップS105で算出された(n−1)周期分の第1のバイスペクトルとを合わせた、合計n周期分のバイスペクトルを基に、第2のバイコヒーレンス(式(10)参照)が算出される(ステップS206)。さらに、このステップS206で算出された第2のバイコヒーレンスから、図14のステップS107で算出された第1のバイコヒーレンスが各周波数(f1,f2)ごとに減算されて差分バイコヒーレンス(式(11)参照)が算出される(ステップS207)。さらに、その算出された差分バイコヒーレンスと図14のステップS111で算出しておいた閾値を用いて指標値(式(15)参照)が算出され(ステップS208)、その指標値由来の情報が提示される(ステップS209)。 Next, a total of n cycles including the second bispectrum for one cycle calculated in step S205 and the first bispectrum for (n-1) cycles calculated in step S105 of FIG. A second bicoherence (see equation (10)) is calculated based on the minute bispectrum (step S206). Further, the first bicoherence calculated in step S107 of FIG. 14 is subtracted for each frequency (f 1 , f 2 ) from the second bicoherence calculated in step S206 to obtain differential bicoherence (formula (See (11)) is calculated (step S207). Further, an index value (see formula (15)) is calculated using the calculated differential bicoherence and the threshold value calculated in step S111 of FIG. 14 (step S208), and information derived from the index value is presented. (Step S209).
計測時においては、以上の処理が計測期間(第2の期間)中、繰り返し実行される。 At the time of measurement, the above processing is repeatedly executed during the measurement period (second period).
ここでは、図14,図15に示す処理が、エンジンの運転条件を変更しながら、各運転条件ごとに行なわれる。 Here, the processing shown in FIGS. 14 and 15 is performed for each operating condition while changing the operating condition of the engine.
本実施形態では、上記の通り、音圧信号から非周期信号を抽出し、その非周期信号に含まれる2次の調和成分の変化を抽出することでノッキングを検出しており、従来の手法では様々な雑音でほとんど掻き消されてしまって検出が不可能であった微弱なノッキングやエンジンの高回転速度領域のノッキングでも検出することを可能としている。 In this embodiment, as described above, knocking is detected by extracting a non-periodic signal from the sound pressure signal and extracting a change in the secondary harmonic component included in the non-periodic signal. It is possible to detect even weak knocking that has been almost wiped out by various noises and cannot be detected, or knocking in the high rotation speed region of the engine.
なお、ここでは、エンジンの振動に起因して発生した音をピックアップすることで原信号を取得しているが、音をピックアップすることに代えて、エンジンの振動自体をピックアップして原信号を取得してもよい。 Here, the original signal is obtained by picking up the sound generated due to the vibration of the engine, but instead of picking up the sound, the vibration of the engine itself is picked up to obtain the original signal. May be.
また、ここでは、本発明をノッキング検出装置に適用した例について説明したが、本発明の信号解析装置は、ノッキング検出装置に限られず、周期的な動作を行なう対象物の振動に起因して発せられた音をピックアップしてその対象物の動作解析を行なう場合に広く適用することができる。 Although the example in which the present invention is applied to the knocking detection device has been described here, the signal analysis device of the present invention is not limited to the knocking detection device, and is generated due to the vibration of an object that performs a periodic operation. The present invention can be widely applied to the case where the sound is picked up and the motion of the object is analyzed.
1 エンジン
2 ダイナモ
3 自動車
4 試験台
5 音センサ
6 ECU
10 ノッキング検出装置
20 データ収集装置
30 ノート型パーソナルコンピュータ
30a 表示画面
31 音圧信号取得部
32 角度信号取得部
33 非周期信号抽出部
34 信号切出部
35 差分バイコヒーレンス算出部
36 指標値算出部
37 情報提示部
40 操作盤
40a モニタ画面
50 オペレータ
1 Engine 2 Dynamo 3 Car 4 Test stand 5 Sound sensor 6 ECU
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記原信号取得部で取得した原信号に適応線スペクトル強調器を作用させることにより該原信号に含まれる周期成分が抑制されて該原信号の非周期成分が強調された非周期信号を抽出する非周期信号抽出部と、
前記対象物の周期的な動作角度の少なくとも原点を表わす原点情報を含む角度情報を取得する角度情報取得部と、
前記角度情報取得部で取得した角度情報に基づいて、前記非周期信号から切出し角度範囲内の信号を切り出す信号切出部と、
前記信号切出部で切り出された信号に基づいて、前記対象物の動作解析を行なう動作解析部とを備えたことを特徴とする信号解析装置。 An original signal acquisition unit for acquiring an original signal representing a change with respect to time of a value of a physical quantity picked up by a sensor that picks up a physical quantity whose value is changed due to vibration associated with the movement of an object that performs a periodic operation;
By applying an adaptive line spectrum enhancer to the original signal acquired by the original signal acquisition unit, the periodic component contained in the original signal is suppressed, and an aperiodic signal in which the aperiodic component of the original signal is enhanced is extracted. An aperiodic signal extraction unit;
An angle information acquisition unit for acquiring angle information including origin information representing at least an origin of a periodic operation angle of the object;
Based on the angle information acquired by the angle information acquisition unit, a signal extraction unit that extracts a signal within the extraction angle range from the non-periodic signal,
A signal analysis apparatus comprising: a motion analysis unit that performs a motion analysis of the object based on the signal cut out by the signal cutout unit.
前記原信号取得部で取得した原信号に適応線スペクトル強調器を作用させることにより該原信号に含まれる周期成分が抑制されて該原信号の非周期成分が強調された非周期信号を抽出する非周期信号抽出部と、
前記エンジンの回転角度の、少なくとも原点位置情報を含む角度情報を取得する角度情報取得部と、
前記角度情報取得部で取得した角度情報に基づいて、前記非周期信号から、切出し角度範囲内の信号を、エンジン燃焼の複数の周期に亘って繰り返し切り出す信号切出部と、
前記信号切出部で繰り返し切り出された、ノッキングが発生していない第1の期間内の複数周期分の複数の第1の信号それぞれに基づいて、複数の第1のバイスペクトルを算出して、該複数の第1のバイスペクトルの平均的な値を正規化した第1の正規化値を算出し、
前記信号切出部で切り出された、ノッキングの発生のおそれがある第2の期間内の1周期分の第2の信号に基づいて第2のバイスペクトルを算出して、前記複数の第1のバイスペクトルと該第2のバイスペクトルとを合わせた複数のバイスペクトルの平均的な値を正規化した第2の正規化値を算出し、
前記第2の正規化値と前記第1の正規化値との差分からなる差分正規化値を算出する差分正規化値算出部と、
前記差分正規化値算出部で算出された差分正規化値に基づいて前記エンジンの指標となる指標値を算出する指標値算出部と、
前記指標値算出部で算出された指標値に由来する情報を提示する情報提示部とを備えたことを特徴とするノッキング検出装置。 An original signal acquisition unit for acquiring an original signal representing a change with time of a value of a physical quantity picked up by a sensor that picks up a physical quantity whose value is changed due to vibration caused by engine combustion;
By applying an adaptive line spectrum enhancer to the original signal acquired by the original signal acquisition unit, the periodic component contained in the original signal is suppressed, and an aperiodic signal in which the aperiodic component of the original signal is enhanced is extracted. An aperiodic signal extraction unit;
An angle information acquisition unit for acquiring angle information including at least origin position information of the rotation angle of the engine;
Based on the angle information acquired by the angle information acquisition unit, a signal cutout unit that repeatedly cuts out a signal within a cutout angle range over a plurality of cycles of engine combustion from the non-periodic signal;
Based on each of a plurality of first signals for a plurality of cycles within a first period in which knocking does not occur repeatedly cut out by the signal cutout unit, a plurality of first bispectrums are calculated, Calculating a first normalized value obtained by normalizing an average value of the plurality of first bispectrums;
A second bispectrum is calculated based on a second signal for one cycle within a second period that is likely to cause knocking and is cut out by the signal cutout unit, and the plurality of first Calculating a second normalized value obtained by normalizing an average value of a plurality of bispectrums combining the bispectrum and the second bispectrum;
A difference normalized value calculation unit that calculates a difference normalized value including a difference between the second normalized value and the first normalized value;
An index value calculation unit that calculates an index value serving as an index of the engine based on the difference normalized value calculated by the difference normalized value calculation unit;
An knocking detection apparatus comprising: an information presentation unit that presents information derived from the index value calculated by the index value calculation unit.
TR=α×σ+μ
但し、αは、係数を表わす
に従って算出し、
前記代表値と前記閾値とを比較する比較演算を経て前記指標値を算出するものであることを特徴とする請求項4記載のノッキング検出装置。 The index value calculator causes the difference normalized value calculator to calculate a plurality of the first normalized values while sequentially replacing at least one first bispectrum of the plurality of first bispectrums. , Calculating an average value μ and a standard deviation σ of differences between the plurality of first normalized values, and determining a threshold value TR for determining whether knocking is present or not,
TR = α × σ + μ
Where α is calculated according to the coefficient,
5. The knocking detection apparatus according to claim 4, wherein the index value is calculated through a comparison operation for comparing the representative value and the threshold value.
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