JP6461064B2 - 音響特性校正方法 - Google Patents

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Description

本発明は、音響検査機能を有する装置の音響特性を校正する方法に関する。
例えば数百以上にもなる複数のＥＣＵ（電子制御装置）が搭載されている車両の最終検査工程において、各ＥＣＵおよびこれに電気的に接続された各機器の機能の正常及び異常を判別または診断するため、車両検査装置（ＬＥＴ（ラインエンドテスタ））が利用される。
車両検査装置には車両の各音響機器が発する音響の正常性を検査するために用いられるマイクロフォンが搭載されているため、音響特性が予め測定された基準音を用いてその音響特性または感度特性が確認される。具体的には、基準音がマイクロフォンに入力され、その感度が測定され、当該測定値がマイクロフォン感度の基準値（騒音計で測定した音源の音響特性）からのずれが測定され、マイクロフォンのオフセットまたは感度の調整が行われる（例えば、特許文献１〜２参照）。
特開２０００−１２１６８４号公報 特開平９−２１０８６５号公報
しかし、従来の校正方法によれば、小型の音源を用いて再現性良く校正することが求められる。また、工場内の騒音下でも容易に校正することが求められる。さらに、車両検査装置を用いて音響検査が行われる場合、特定の音に絞って検査が行われる必要がある。ＦＦＴ処理に際して、回路規模の低減では繰り返し処理を行えば小さくなることは公知であるが、逆にメモリ間でのやり取りやループ回数の増加が発生し、処理速度の低下を招く。
そこで、本発明は、検査状況の再現性の向上、音響特性校正における騒音の影響の低減、および、ＦＦＴ演算処理の負荷軽減のうち、少なくともいずれか１つの側面で従来技術に対して優れている音響特性校正方法を提供することを目的とする。
本発明の音響特性校正方法は、周波数特性が既知である基準音響信号を音声出力装置から出力させ、音響検査装置の音声入力装置に対して入力し、前記音声入力装置への入力信号をＡ／Ｄ変換したうえで、ＦＦＴ演算処理を実行することで前記音声入力装置の周波数応答特性を検出し、前記音声入力装置の周波数応答特性と前記基準音響信号の周波数特性とを比較することにより各周波数の補正因子を決定し、前記補正因子に基づいて前記音声入力装置の周波数応答特性を校正することを特徴とする。
本発明の音響特性校正方法において、前記音響検査装置の筐体に対して固定され、かつ、前記音声出力装置を固定するための器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定したうえで、前記基準音響信号を前記音声出力装置から出力させることが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、前記音響検査装置の筐体に設けられている、音響検査用の入力インターフェースおよび出力インターフェースが設けられている箇所を回避するように前記器具を前記音響検査装置の筐体に対して固定することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、貫通孔としての窓に前記音声出力装置が配置される前記器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、少なくとも前記音声出力装置の固定部位が透明素材により構成されている前記器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、前記音声出力装置の振動要素および前記音声入力装置の振動検出要素の間隔が、前記音声入力装置の周波数特性を定義する最大周波数の音響信号の半波長以下であり、かつ、前記音声出力装置の振動要素および前記音声入力装置の振動検出要素が対向するように前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、位相の間に指定関係がある複数の校正音波信号ψsxを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された複数の音響信号ψ0xを検出し、前記複数の音響信号ψ0xに所定の複素計算を実行することにより、前記複数の音響信号ψ0xに含まれている、前記音響検査装置の環境に存在するノイズ音波信号ψnを除去することで、前記音声入力装置の周波数応答特性を検出することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、前記指定関係として位相が異なるという関係がある第１校正音波信号ψs1および第２校正音波信号ψs2のそれぞれを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02を検出し、前記第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02に対して前記所定の複素計算として、減算を実行することで、前記音声入力装置の周波数応答特性｜ψ01−ψ02｜を検出することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、前記指定関係として位相が同じであるという関係がある一方、振幅が異なる第１校正音波信号ψs1および第２校正音波信号ψs2のそれぞれを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02を検出し、前記第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02に対して前記所定の複素計算として、減算を実行することで、前記音声入力装置の周波数応答特性｜ψ01−ψ02｜を検出することが好ましい。
本発明の音響特性校正方法において、フーリエ変換ＦＦＴ（ＤＦＴ）を行うためのバタフライ演算回路であって、実像領域の出力結果と 鏡像領域の出力結果をナイキスト軸で反転した結果のうち、パワー値変換後の結果が同じとなる組み合わせの各ビンに至るまでの回路構成を比較し、複数段のステージで構成されるバタフライ演算回路のより初段に近い方の演算を削除可能な組み合わせを削減することで、バタフライ演算回路の回路規模の低減が図られることが好ましい。
本発明の音響特性校正方法によれば、器具の使用により検査状況の再現性の向上が図られる。位相に指定関係がある複数の校正音波信号が出力された際に検出された複数の音響信号に対して所定の複素計算が実行されることによって音響特性校正における騒音の影響の低減が図られる。改良されたバタフライ演算の採用によってＦＦＴ回路の処理負荷軽減が図られる。
音響制御装置および車両検査装置の構成に関する説明図。 車両検査装置および器具の構成に関する説明図。 車両検査装置に対する器具の取り付け態様に関する説明図。 音声出力装置及び音声入力装置の配置態様に関する説明図。 本発明の一実施形態としての音響特性校正方法に関する説明図。 本発明の他の実施形態としての音響特性校正方法に関する説明図。 音響信号の複素計算例に関する説明図。 音響信号の複素計算例に関する説明図。 基準音響信号の時間変化態様の第１例に関する説明図。 基準音響信号の時間変化態様の第２例に関する説明図。 改良されたバタフライ演算処理の第１実施例に関する説明図。 改良されたバタフライ演算処理の第２実施例に関する説明図。 演算処理量の対比説明図。
（音響特性構成に係る構成）
図１に示されている音響制御装置１は、車両検査装置２の音響特性を校正するために用いられる。
音響制御装置１は、音声出力装置１０と、信号分離要素１１と、第１信号メモリ１２１と、第２信号メモリ１２２と、信号演算要素１４と、補正値演算要素１８と、を備えている。要素１１、１４および１８のそれぞれは、ソフトウェアおよびこれに応じた演算処理を実行するプロセッサまたはプロセッサコア（ハードウェア）により構成されている。音響制御装置１のうち、要素１０、１１、１２１、１２２、１４および１８のうち一部または全部が車両検査装置２の構成要素であってもよい。
音声出力装置１０は、スピーカにより構成され、その振動板（振動要素）を振動させることにより音響信号を出力する。信号分離要素１１は、車両検査装置２からの出力信号を第１音響信号および第２音響信号に分離する。第１信号メモリ１２１は、信号分離要素１１により分離された第１音響信号を記憶保持する。第２信号メモリ１２２は、信号分離要素１２により分離された第２音響信号を記憶保持する。信号演算要素１４は、第１信号メモリ１２１に格納されている第１音響信号および第２信号メモリ１２２に格納されている第２音響信号に所定の複素計算を実行する。補正値演算要素１８は、信号演算要素１４による複素計算結果および基準音響信号の同様の複素計算結果の対比結果に基づき、車両検査装置２またはその音声入力装置２０の周波数応答特性を構成するための補正因子を算定する。
車両検査装置２は、車両に搭載されている複数のＥＣＵ（電子制御装置）に接続され、当該複数のＥＣＵとの通信結果に基づき、その動作の正常および異常を判別または診断するために用いられる。車両に搭載されているＥＣＵに電気的に接続された各機器の中には、メータアラーム、セキュリティホーン、オーディオスピーカ、パーキングセンサブザー、スマートブザー、接近通報音などの音響機器が含まれており、車両検査装置２は、これら音響機器のそれぞれから発せられる音響の正常・異常を判定するための音響検査装置を構成する。
車両検査装置２は、音声入力装置２０と、アンプ２１と、Ａ／Ｄコンバータ２２と、ＦＦＴ演算要素２４と、を備えている。ＦＦＴ演算要素２４は、ソフトウェアおよびこれに応じた演算処理を実行するプロセッサまたはプロセッサコアのほか、専用回路（ハードウェア）により構成されている。
音声入力装置２０は、マイクロフォンにより構成され、ダイヤフラム（振動検出要素）が音波に応じて振動することで音響信号が入力または検出される。音声入力装置２０に入力された音響信号はアンプ２１により増幅され、当該増幅信号がＡ／Ｄコンバータ２２によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。ＦＦＴ演算要素２４は、当該デジタル信号に対してＦＦＴ演算処理、具体的には本発明に係る改良されたバタフライ演算処理（図６および図７参照）を実行することにより、各周波数における音響信号を抽出する。
図２Ａに示されているように、車両検査装置２は、略直方体状の筐体２００（ケーシング）を備え、筐体２００の前面上側にはディスプレイ２０１が設けられ、かつ、筐体２００の前面下側には複数の操作ボタン２０２が設けられている。筐体２００の前面のディスプレイ２０１および複数の操作ボタン２０２の間には音声入力装置２０に連通する開口２０４が形成されている。複数の操作ボタン２０２のそれぞれは、検査作業者により操作されることによりＥＣＵの機能または動作態様を検査するための指令が入力される入力インターフェースを構成する。操作ボタン２０２のうち一部が、音響検査のための操作ボタンに該当する。ディスプレイ２０１は、ＥＣＵの検査結果を表示する出力インターフェースを構成する。
図２Ａに示されている器具４は、音響制御装置１の音声出力装置１０と、車両検査装置２の音声入力装置２０との相対的な位置および姿勢を固定するために用いられる。器具４は、略矩形板状の第１基体４１と、横に延在する略矩形板状の横梁部および横梁部の中央部から下方に延在する略矩形板状の縦梁部を有する略Ｔ字板状の第２基体４２と、第２基体４２の横梁部の両端部および縦梁部の下端部から後方に垂直に折れ曲がるように延在している３つの爪部４４と、を備えている。
第１基体４１は、第２基体４２の横梁部の中央部に対して前後（厚み方向）に重ねられるように接着または接合されている。少なくとも第１基体４１および第２基体４２はＰＥＴ等の透明な樹脂または素材により構成されている。第１基体４１には厚み方向に貫通する略円形状の窓４１０が設けられている。第２基体４２の横梁部の中央部には厚み方向に貫通し、窓４１０より小径の窓４２０が設けられている。
器具４は３つの爪部４４のそれぞれを、筐体２００の左側面、右側面および下側面のそれぞれに当接させて筐体２００に固定される。また、器具４と筐体２００との当接面には、図示しないスポンジまたはウレタン等の緩衝材が用いられ密着性の向上が図られ、隙間から侵入する外部の音の影響を低減している。
この際、図２Ｂに示されているように、操作ボタン２０２のうち一部が第２基体４２の縦梁部の両側に露出しており、当該一部の操作ボタン２０２には音響検査用の操作ボタン２０２が含まれている。
また、図２Ｃに示されているように器具４の窓４１０および４２０は、器具４の筐体２００の開口２０４に合致している。第１基体４１の窓４１０には、音声出力装置１０がその振動板を音声入力装置２０の振動検出要素に対向し、かつ、間隔ｄが構成対象範囲の最大周波数である音波の半波長λmin／２以下になるように配置されている。音声出力装置１０は、第１基体４１の窓４１０の内側面および第２基体４２の前面に当接するように配置されている環状のパッキン部材４１２に当接するように配置されている。音声出力装置１０は、接着剤または熱可塑性樹脂により第１基体４１に対して固定されている。
（音響特性校正方法）
まず、器具４の第１基体４１の窓４１０に音声出力装置１０が配置かつ固定されたうえで、図２Ｂおよび図２Ｃに示されているように車両検査装置２の筐体２００に対して器具４が固定される。
車両検査装置２において、音声入力装置２０がＯＮであるか否かが判定される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０２）。当該判定結果が肯定的である場合（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０２‥ＹＥＳ）、車両検査装置２から、音響制御装置１に対して音声出力ＯＮ指令が出力される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０４）。
これに応じて、音響制御装置１において、音響出力装置１０から周波数特性が既知の基準音響信号が継続的に出力される（図３Ａ／ＳＴＥＰ１０２）。基準音響信号として、本実施例では位相が１８０°異なるという指定関係にある第１校正信号ψs1および第２校正信号ψs2のそれぞれが、第１期間およびこれと相違する第２期間のそれぞれにおいて交互に切り替わりながら出力される（図４Ａおよび図５Ａ参照）。なお、第１校正信号ψs1および第２校正信号ψs2の位相の相違が１８０°ではなく、それ以外の値（例えば４５°または９０°など）であってもよい。
基準音響信号として、位相が同じであるという指定関係にある、振幅が異なる第１校正信号ψs1および第２校正信号ψs2が、第１期間およびこれと相違する第２期間のそれぞれにおいて出力されてもよい（図４Ｂおよび図５Ｂ参照）。
車両検査装置２において、所定時間が経過したか否かが判定される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０６）。当該判定結果が否定的である場合（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０６‥ＮＯ）、音声入力装置２０に継続的に入力された音響信号が増幅かつＡ／Ｄ変換されたうえでデジタル信号として図に記載されていない記憶装置に格納される。
その一方、当該判定結果が肯定的である場合（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０６‥ＹＥＳ）、車両検査装置２から、音響制御装置１に対して音声出力ＯＦＦ指令が出力される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２０８）。これに応じて、音響制御装置１において、音響出力装置１０からの基準音響信号の出力が停止される（図３Ａ／ＳＴＥＰ１０４）。
その後、車両検査装置２において、図に記載されていない記憶装置に格納されている音響信号に対してＦＦＴ演算が実行され、これにより音声入力装置２０の周波数応答特性（例えば、各周波数の音響信号の強度）が検出される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２１０）。
音声入力装置２０の周波数特性は車両検査装置２から音響制御装置１に送信され、第１期間および第２期間のそれぞれにおける周波数特性を表わす第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02が分離されたうえで、それぞれメモリ１２１、１２２に格納される（図３Ａ／ＳＴＥＰ１０６）。第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02に対して所定の複素計算として減算処理が実行される（図３Ａ／ＳＴＥＰ１０８（図４Ａ参照））。当該計算結果｜ψ01−ψ02｜が、第１校正信号ψs1および第２校正信号ψs2の差分｜ψs1−ψs2｜と対比され、当該対比結果に基づいて補正因子が決定される（図３Ａ／ＳＴＥＰ１１０）。
この補正因子が音響制御装置１から車両検査装置２に送信され、アンプ２１による増幅率に反映されることにより、車両検査装置２またはその音声入力装置２０の周波数応答特性が校正される（図３Ａ／ＳＴＥＰ２１２）。
なお、図３Ａに示されているフローチャートに代えて、図３Ｂに示されているフローチャートにしたがって音響特性が校正されてもよい。図３Ｂに示されているフローチャートは、ＳＴＥＰ２１０の処理がＳＴＥＰ２０６の処理の前に実行される点で、図３Ａに示されているフローチャートと相違している。車両検査装置２から、音響制御装置１に対して音声出力ＯＮ指令が出力され（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２０４）、その後、ＦＦＴ処理が実行され（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２１０）、その上で車両検査装置２において、所定時間が経過したか否かが判定される（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２０６）。当該判定結果が否定的である場合（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２０６‥ＮＯ）、ＦＦＴ処理が実行される（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２１０）。
これにより、音声入力装置２０に継続的に入力された音響信号が増幅かつＡ／Ｄ変換され、並行して逐次ＦＦＴ処理が実行されるので、音声出力ＯＦＦ指令（図３Ｂ／ＳＴＥＰ２０８）が出力されると、音声入力装置２０の周波数応答特性（例えば、各周波数の音響信号の強度）のＦＦＴ処理結果が得られる。
（改良されたバタフライ演算）
ＦＦＴ演算処理（図３Ａ／ＳＴＥＰ２１０および図３Ｂ／ＳＴＥＰ２１０参照）において、改良されたバタフライ演算が実行される。ＦＦＴ演算処理（ＤＦＴ）を行うためのバタフライ演算では、ナイキスト周波数ｆｓ／２を境にして実像領域部分と鏡像領域部分が得られる。
実像領域部分と鏡像領域部分との信号の差異は虚数信号（Ｑ出力）の符号が逆転している事であるので、パワー値に換算するとナイキスト周波数ｆｓ／２を境にして左右対称な結果が得られる事になる。そのため、鏡像領域部分の演算結果のビンを折り返して、実像領域部分の結果のビンと置き換える事が可能である。つまり、等価なビンの一方を削減する事でＦＦＴ演算処理（ＤＦＴ）の演算量を低減する事が可能となる。
具体的な削減では、等価な出力のビンを比較した場合、一方ではバタフライ演算を構成するブロック内の演算の根元に回転演算を含み、もう一方ではバタフライ演算を構成するブロック内の演算の根元に回転演算を含まない構成となるので、演算量の多い回転演算を含むバタフライ演算部分を削減する事で演算負荷の低減を図り、ＦＦＴ演算処理（ＤＦＴ）の計算量の削減を行うことができる（スクランブラ（ビット反転処理）後に得られる結果は通常アルゴリズムのＦＦＴ演算処理（ＤＦＴ）と同じものが得られる。）。
図６には、ｒａｄｉｘ ２ ＦＦＴ構成に適用される改良されたバタフライ演算処理の構成が示されている。
また、図７は、図６のバタフライ演算回路（ＦＦＴ回路）の一部にダイレクトコンバージョン回路を導入し、信号を予め１ビンシフトさせ、同様の効果を得ているものである。
図８には、従来および本発明のそれぞれのバタフライ演算処理負荷が示されている。鏡像を利用しない標準のバタフライ演算における複素加算／減算の回数および回転演算回数のそれぞれを「１」とした場合、胸像を利用し、最終段を加減算で構成した改良されたバタフライ演算における複素加算／減算の回数は「０．６０」、回転演算回数は「０．４５」であり、演算処理負荷が軽減されていることがわかる。
１‥音響制御装置、１０‥音声出力装置（スピーカ）、１１‥信号分離要素、１２１‥第１信号メモリ、１２２‥第２信号メモリ、１４‥信号演算要素、１８‥補正値演算要素、２‥車両検査装置、２０‥音声入力装置（マイクロフォン）、２１‥アンプ、２２‥Ａ／Ｄコンバータ、２４‥ＦＦＴ演算要素、２００‥筐体、２０１‥ディスプレイ、２０２‥操作ボタン、２０４‥開口、４‥器具、４１‥第１基体、４２‥第２基体、４４‥爪部。

Claims (9)

  1. 周波数特性が既知である基準音響信号を音声出力装置から出力させ、音響検査装置の音声入力装置に対して入力し、
    前記音声入力装置への入力信号をＡ／Ｄ変換したうえで、ＦＦＴ演算処理を実行することで前記音声入力装置の周波数応答特性を検出し、
    前記音声入力装置の周波数応答特性と前記基準音響信号の周波数特性とを比較することにより各周波数の補正因子を決定し、前記補正因子に基づいて前記音声入力装置の周波数応答特性を校正することを特徴とする音響特性校正方法。
  2. 請求項１記載の音響特性校正方法において、
    前記音響検査装置の筐体に対して固定され、かつ、前記音声出力装置を固定するための器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定したうえで、前記基準音響信号を前記音声出力装置から出力させることを特徴とする音響特性校正方法。
  3. 請求項２記載の音響特性校正方法において、
    前記音響検査装置の筐体に設けられている、音響検査用の入力インターフェースおよび出力インターフェースが設けられている箇所を回避するように前記器具を前記音響検査装置の筐体に対して固定することを特徴とする音響特性校正方法。
  4. 請求項２または３記載の音響特性校正方法において、
    貫通孔としての窓に前記音声出力装置が配置される前記器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することを特徴とする音響特性校正方法。
  5. 請求項２〜４のうちいずれか１つに記載の音響特性校正方法において、
    少なくとも前記音声出力装置の固定部位が透明素材により構成されている前記器具を用いて、前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することを特徴とする音響特性校正方法。
  6. 請求項２〜５のうちいずれか１つに記載の音響特性校正方法において、
    前記音声出力装置の振動要素および前記音声入力装置の振動検出要素の間隔が、前記音声入力装置の周波数特性を定義する最大周波数の音響信号の半波長以下であり、かつ、前記音声出力装置の振動要素および前記音声入力装置の振動検出要素が対向するように前記音声出力装置および前記音声入力装置の相対的な位置および姿勢を固定することを特徴とする音響特性校正方法。
  7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の音響特性校正方法において、
    位相の間に指定関係がある複数の校正音波信号ψsxを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された複数の音響信号ψ0xを検出し、
    前記複数の音響信号ψ0xに所定の複素計算を実行することにより、前記複数の音響信号ψ0xに含まれている、前記音響検査装置の環境に存在するノイズ音波信号ψnを除去する
    ことで、前記音声入力装置の周波数応答特性を検出することを特徴とする音響特性校正方法。
  8. 請求項７記載の音響特性校正方法において、
    前記指定関係として位相が異なるという関係がある第１校正音波信号ψs1および第２校正音波信号ψs2のそれぞれを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02を検出し、
    前記第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02に対して前記所定の複素計算として、減算を実行することで、前記音声入力装置の周波数応答特性｜ψ01−ψ02｜を検出することを特徴とする音響特性校正方法。
  9. 請求項７記載の音響特性校正方法において、
    前記指定関係として位相が同じであるという関係がある一方、振幅が異なる第１校正音波信号ψs1および第２校正音波信号ψs2のそれぞれを前記音声出力装置から出力し、これに応じて前記音声入力装置に入力された第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02を検出し、
    前記第１音響信号ψ01および第２音響信号ψ02に対して前記所定の複素計算として、減算を実行することで、前記音声入力装置の周波数応答特性｜ψ01−ψ02｜を検出することを特徴とする音響特性校正方法。
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