JPH0247688B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はトラツキング分析方法、特にデジタル
フーリエ演算を用いて定幅トラツキングの可能な
改良された分析方法に関するものである。

比較的広帯域の周波数成分を有する被測定信号
の周波数分析を行なうことがしばしば必要とな
り、各種の物理現象を解析するために極めて有用
な手段となつている。

このような被測定信号としては振動或いは音な
どがあり、振動、音の周波数分析を行なうことに
より、その原因を適確に知ることが可能となる。

このような騒音或いは音は特に車両においても
重要であり、主としてエンジンの回転に基づく車
両各部の振動及び騒音の解析を行なうために各種
の周波数分析が行なわれている。このような車両
においては、エンジンがアイドリング時の低速回
転から加速時の高速回転まで広い周波数変動を有
し、このために、周波数分析にも前述したエンジ
ン回転数に追従したトラツキング分析を行なうこ
とが必要となる。

従つて、車両においては、エンジン或いはその
他車体の各部における振動或いは騒音の電気的な
検出信号が被測定信号となり、この被測定信号中
に含まれる周波数成分をその発生源であるエンジ
ンの回転数に対応して取り出しこの周波数成分の
大きさを検出すれば、エンジン回転に直接起因す
る振動或いは音のレベル比を知ることができ、車
両の振動或いは騒音対策として極めて有用な分析
を行なうことができる。前記車両においては、エ
ンジン回転をトラツキング信号としてとらえ、回
転数変動がトラツキング信号の周波数変動となる
ため、これに追従して振動或いは音などの被測定
中に含まれる成分を求めればよい。

前述したようなトラツキング分析はCRアクテ
イブフイルタなどの固定バンド幅のフイルタを使
つたヘテロダイン式トラツキング分析方法により
実現可能であるが、この従来方法によれば、トラ
ツキング信号すなわち車両においてはエンジン回
転数の分析次数分のフイルタが必要となり、定幅
トラツキングによつて分析バンド幅が変更する時
にはまたこのバンド幅の種類分だけフイルタを用
意しなければならず、装置が大型となり、また高
コストであるという欠点があり、特に近年要望さ
れる車載分析装置などを得ることが到底不可能で
あつた。

従来の比較的使いやすい分析方法としてデジタ
ルフーリエ演算を利用した分析方法が知られてお
り、たとえばFFT（フアースト フーリエ、トラ
ンスフオーム）演算分析計が知られている。

第１図には従来のFFT演算を用いたトラツキ
ング分析方法の回路構成が示されており、被測定
信号１００はローパスフイルタ１０によつて高調
波成分が除去され、次にAD変換器１２によつて
デジタル信号に変換される。そしてデジタル化さ
れた被測定信号は一旦バツフアメモリ１４に記憶
されたのちこのバツフアメモリ１４からFFT演
算器１６に供給され、所望のデジタルフーリエ変
換が行なわれ、その演算結果である周波数スペク
トルがスペクトル検出回路１８によつて検出さ
れ、所望の表示器たとえばデータテーブル２０に
て表示される。

前記被測定信号１００はたとえば車両の振動、
音解析の場合エンジン或いは車両各部の所定部位
における振動或いは音検出信号であるが、これを
エンジン回転数に対応してトラツキング分析する
ため、エンジン回転数信号がトラツキング信号２
００として周波数分析のために取り込まれ、これ
がサンプリング信号変換回路２２により所望のサ
ンプリング信号に変換され、このサンプリング信
号が前記AD変換器１２のサンプリング入力に供
給される。

従つて、第１図の従来装置においては、所望の
デジタルフーリエ変換の周波数分析レンジがトラ
ツキング信号２００の周波数に応じて変化し、こ
れによりトラツキング作用が達成される。そし
て、データテーブル２０への周波数スペクトルの
出力は次数設定器２４により行なわれ、たとえ
ば、エンジン回転数の場合、２次以降の高調波成
分が不要な場合には、端子２６から１次成分のみ
の設定入力が行なわれ、これによつて設定された
１次の次数に相当するスペクトルがスペクトル検
出回路１８へ供給され、指定された次数に相当す
る所望のスペクトルとしてデータテーブル２０に
出力される。

以上のように、従来のデジタルフーリエ変換に
よるトラツキング分析では、トラツキング信号２
００によつて各分析レンジの周波数帯域を変化さ
せ、これによつて同一の次数分析レンジであつて
もこの次数分析レンジに含まれる周波数帯域がト
ラツキング信号の周波数変動に応じて変わるの
で、所望のトラツキング作用を得ることができ
る。そして、この各レンジの周波数帯域はサンプ
リング定理に基づいて定められ、第１図から明ら
かなように、サンプリング信号の周波数はトラツ
キング信号２００と対応しているので、所望の追
従が可能となる。

たとえば、車両用エンジンの回転数をトラツキ
ング信号として、これに基づくエンジンのこもり
音を分析する場合、測定された騒音信号が被測定
信号１００となり、回転数変化に追従してこの時
の回転数と対応する音量が求められる。

エンジン回転数が1200rpmの場合、４気筒エン
ジンでは爆発１次周波数は40Hzとなる。

この場合、こもり音分析のバンド幅を10Hzに設
定すると、通常の車両エンジンにおいては500Hz
程度の周波数まで分析できれば充分であり、これ
以上の高周波成分はごく微量であるため、こもり
音分析にはほとんど必要とされない。従つて、こ
の500Hzを最大分析周波数とするならば、必要な
スペクトル本数は500／10＝50本となり、またこ
の500Hzの最大分析レンジは爆発１次が40Hzであ
ることから、500／40＝12.5次の最大次数レンジ
となる。従つて、12.5次までの次数分析結果の一
次成分の音圧を読み取り、データテーブル２０に
記憶すれば1200rpmの場合の所望次数の分析を行
なうことができ、この状態が第２Ａ図に示されて
いる。

そして、次にエンジン回転数が上昇してたとえ
ば4800rpmとなつた場合、爆発一次は160Hzとな
り、この時、最大次数レンジは従来の場合変化し
ないので、12.5次のままであり、従つて、この回
転数上昇時における最大分析レンジは160Hz×
12.5次＝2000Hzとなる。このため、分析バンド幅
は2000Hz／50本＝40Hzとなり、回転数が低い
1200rpmの場合に比較して４倍に増加してしまう
という問題があつた。第２Ｂ図には回転数が
4800rpmに上昇した場合の周波数特性が示されて
おり、第２Ａ図と比較することにより、従来方式
では、エンジン回転数の上昇と共に分析バンド幅
が広くなり、このような定比幅トラツキングによ
り、レベル変動が生じ、正確な分析が行なえない
という欠点を有していた。

本発明は、前述した従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、デジタルフーリエ変換
を利用しながら定幅のトラツキングを可能とする
改良されたトラツキング分析方法を提供すること
にある。

上記目的を達成するために、本発明は、広帯域
の周波数成分を含む被測定信号をデジタルフーリ
エ演算して周波数スペクトルを求め、トラツキン
グ信号の周波数に対応した周波数成分のスペクト
ルのみを取り出し、トラツキング信号の周波数変
動に追従して被測定信号の周波数分析を行うトラ
ツキング分析方法において、被測定信号をほぼ一
定のサンプリング周波数に基づいてサンプリング
するとともに、トラツキング信号の周波数に対応
した間引き率で間引き処理し、この間引き処理さ
れたデジタル信号をデジタルフーリエ変換し、デ
ジタルフーリエ変換された信号からトラツキング
信号の周波数に対応した周波数スペクトルを取出
し、トラツキング周波数が変動しても周波数スペ
クトルのバンド幅がほぼ一定で、かつバンドの中
心周波数がトラツキング信号の周波数に対応した
周波数分析を行うことを特徴とする。

以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第３図には本発明に係る分析方法の基本的構成
が適応された回路例が示され、第１図の従来装置
と同一部材には同一符号を付して説明を省略す
る。

本例において特徴的なことは、デジタルフーリ
エ演算を行なうためのサンプリング周波数を固定
してデジタルフーリエ演算の周波数スペクトルレ
ンジを一定とすることにあり、このために、AD
変換器１２へはサンプリング信号発生器２８から
固定周波数にサンプリング入力が供給される。こ
の結果、FFT演算器１６にて行なわれるデジタ
ルフーリエ演算はサンプリング周波数によつて定
まる一定の周波数分析レンジを有することとな
り、これはトラツキング信号にはなんら影響され
ることがない。従つて、デジタルフーリエ演算自
体は、エンジン回転数の変動時においても、常に
同一のバンド幅及びレベル精度を有することとな
る。

そして、本例においては、トラツキング信号２
００の周波数変動に対応して所望のスペクトルを
検出するため、周波数スペクトルから取り出すレ
ンジ次数を変化することを特徴とし、このため
に、次数設定器２４へトラツキング信号２００が
供給され、このトラツキング信号２００によつて
変化する周波数と端子２６からの設定次数とを組
み合わせて次数設定器２４からはスペクトル検出
回路１８から取り出される次数を決定する。

以上のように、本例によれば、第４図で示され
るように、デジタルフーリエ変換特性はトラツキ
ング信号の周波数変動に対してなんら異なること
がなく、トラツキング信号の周波数が変化した時
には、その取り出すスペクトルを変更する。たと
えば40Hzから160Hzに変えることにより、所望の
周波数帯域における信号を分析検出することが可
能となる。これにより従来の第２図に示されるよ
うな、次数は一定で、この次数内の周波数帯域を
変化させる方式に比較して、極めて安定したトラ
ツキング分析を行なうことが可能となる。

従つて、本例によれば、トラツキング信号の周
波数変動に拘わらず第４図に示されるように、定
幅トラツキング分析を行なうことが可能となる。

このようにして、本例によれば、定幅トラツキ
ングが可能となるが、このようなトラツキング分
析に用いられるバンドパスフイルタの周波数特性
は第５図に示されるようにバンド幅Ｂの両側周波
数f_L、f_Hの透過損失が中心周波数f_Cに比べて数デ
シベル大きくなつてしまう。このため、トラツキ
ング信号がこのバンド幅内で変化する時、第６図
の拡大図で示されるように出力レベルが透過損失
分だけ誤差を含むこととなり、第７図のような理
想的な平坦特性を得ることができないという問題
がある。本発明においては、このような透過損失
による誤差をも除去することを可能とするトラツ
キング分析方法が提供されている。

本発明では、トラツキング信号の周波数変化に
対応させて１次成分の周波数スペクトルのバンド
幅の中心周波数f_Cを前記トラツキング信号周波数
と一致させるように自動的に調整することを特徴
とし、このために、フーリエ演算のためにサンプ
リングされたデジタル信号をトラツキング信号の
周波数に対応した間引率で間引くことが行なわれ
る。

第８図には本発明に好適な実施例が示されてお
り、第３図の例と同一部材には同一符号を付して
説明を省略する。

本実施例において特徴的なことは、前記間引作
用を行なうため、トラツキング信号２００は回転
数カウンタ３０によつてその回転パルス信号が計
数され、次にこの計数信号は間引率演算器３２に
供給されて所望の間引率が演算され、次にこの間
引率信号は間引回路３４へ供給され、メモリ１４
に所定のサンプリング周期で取り込まれた信号の
間引作用が行なわれる。

従つて、この間引率によつて周波数分析レンジ
がある範囲で変化し、トラツキング信号の周波数
に分析する各次数の周波数スペクトルのバンド幅
の中心周波数f_Cを次数倍で一致させることが可能
となる。

従つて本実施例においては上述の回路例の定幅
トラツキングとフイルタ中心周波数の調整が同時
に行なわれ、これらの作用原理を以下に説明す
る。すなわち、車両エンジンを考えた場合、回転
速度ωの回転体が発生する音Ｎ(f)の中からＮ
（ｋ・ω）を抽出する。ここでｋは次数定数であ
る。Ｎ（ｋ・ω）はｋ・ω±１／２F_Bの一定幅のス ペクトルを含むものである。F_Bは分析周波数幅
（定数）である。Ｎ(f)は時系列でサンプルされ
FFT演算によりＮ(i)のスペクトル列になる。以
下にＮ(i)の特定のスペクトルＮ(I)がＮ（ｋ・ω）
を示す方法について述べる。

(1) ｋが整数次数の場合の分析法 次数分析の条件として回転体の回転周期信号
が与えられωを求めることが出来る。

(1‐1) 定幅分析の条件 サンプル時間＝１／F_B 整数次数の条件からサンプル時間＝ｎ・
１／ω 即ち１／F_B＝ｎ・１／ω ……(1)式 ｎ：任意の整数 (1)式の条件に最も近いｎを定めるには （ｎ／ω−１／F_B）が０を切る前後のｎ−１、 ｎを求め｜ｎ−１／ω−１／F_B｜〓｜ｎ／ω−１／F_B｜ の比較を行い、小なる方のｎ又はｎ−１を取
る。

(1‐2) サンプルクロツクの選定 サンプルクロツク周期T_Sは一般に連続で
なくT_S＝ｑ・t_Sで与えられる。ｑ：間引率
（任意の整数）t_S：最少単位クロツク周期 整数次数の条件から ｎ・１／ω＝2^j・T_S ……(2)式 2^j：FFTのためのデータサンプル数 ｊ：任
意の整数 2^jは必要とされる分析上限周波数から定ま
る。

2^jのデータサンプリングを行うと有効フー
リエスペクトル数はサンプリング定理から
（2^j／2.56）。分析帯域はスペクトル分析幅
（F_B）と有効スペクトル数の積で示される。

即ち （2^j／2.56）・F_B分析上限周波数 ……(3)式 そして間引率ｑは ｜ｎ／ω−2^j・ｑ・t_S｜ ……(3)′式 の値を最少とするものとなる。

(1‐3) 次数スペクトルの抽出 FFTサンプル時間がｎ／ωに等しい（１
式）ことからFFTの１番目のスペクトル中
心周波数はω／ｎ。従つてｋ次の次数スペク
トルはFFTスペクトル列のｎ・ｋ番目のも
のとなる。

(2) ｋが実数（k₁／k₂）次数の場合 (2‐1) 定幅分析の条件は変わらない。即ちサン
プル時間＝１／F_B 実数次数の条件から サンプル時間＝ｎ／
ｋ・ω 即ち １／F_B＝ｎ／ｋ・ω ……(4)式 (4)式の条件に最も近いｎを定めるには２項
と同様に ｜ｎ／ｋ・ω−１／F_B｜の値を最少とするｎを 求める。

(2‐2) サンプルクロツクの選定 サンプル時間が(4)式を近似的に満足させる
ｎ／ｋ・ωとして与えられれば ｎ・／ｋ・ω＝2^j・T_S ……(5)式 そして間引率ｑは ｜ｎ／ｋ・ω−2^j・ｑ・t_S｜ ……(5)′式 の値を最少とするものとなる。

(2‐3) 次数スペクトルの抽出 FFTサンプル時間がｎ／ｋ・ωであるこ
とからFFTの１番目のスペクトルの中心周
波数はｋ・ω／ｎ、ｋ次の次数周波数は即ち
ｋ・ωであることからFFTスペクトルのｎ
番目がｋ次の次数スペクトルを示すことにな
る。

この結果は１‐３）と矛循しない。ｋが整
数の場合は必らずしもFFTサンプル時間決
定の際にｋの要因を考慮しなくて良いがｋが
実数の場合はFFTサンプル時間を決める際
にｋの要因を考慮する必要があり２）項の手
法が一般解である。

以上のように、本実施例においては、第８図の
間引率演算器３２によりトラツキング信号の周波
数に対応して前述した(3)′式或いは(5)′式に基づい
て間引率ｑを演算し、間引回路３４を用いてサン
プリングされた信号の間引きが行なわれ、これに
より、周波数分析レンジが変化し、分析するバン
ドパスフイルタの中心周波数をトラツキング信号
に同期した周波数に一致させることができ、フイ
ルタの前記第５，６図に示した透過損失による誤
差発生を除去することが可能となる。

従来と同様に、車両エンジンに起因するこもり
音を分析する場合を以下に例示する。

エンジン回転数が1200rpmの場合、前述したよ
うに爆発１次周波数は40Hzとなり、またこの時の
分析周波数幅F_Bが10Hzであるから、(1)式から ｜ｎ／40−１／10｜より ｎ＝４ となり、次に整数次数の条件から間引率が(3)′式
より求められ、すなわち、 ｜４／40−128×ｑ×12×10^-6｜ 2^j＝128、t_S＝0.012ｍsecとして ｑ＝64 となる。

そしてサンプルクロツク周期T_Sは T_S＝qt_S＝64×12×10^-6＝0.78ｍsec 従つてサンプリング周波数ｆ maxは ｆ max＝１／0.78＝1280Hz となり、分析最大レンジは 1280÷2.56＝500Hz また分析バンド幅は 500÷128／2.56＝10Hz が得られる。この時の検出されるスペクトラムは
10Hz×ｎ＝40Hz、従つて第４番目の中心周波数f_C
が40Hzであるスペクトルの音圧レベルがエンジン
回転1200rpm時のトラツキングレベルとなる。

次にエンジン回転数が4700rpmに上昇した場合
を説明する。

この時爆発一次周波数は157Hzであるから、前
記原理式から各条件は以下に定まる。すなわち、 ｜ｎ／ω−１／F_B｜＝｜ｎ／157−１／10｜ ｎ＝16
（15.7） ｜ｎ／ω−2^j×ｑ×ts｜＝｜16／157−128×ｑ×12×
10^-6｜ｑ＝66（66.35） T_S＝ｑ・t_S＝66×12×10^-6＝0.792ｍsec ここで間引毎に四捨五入を行なえば、 T_S＝0.796ｍsecとなる。

サンプル周波数ｆ max＝１／0.796ｍsec＝1256.3 Hz 分析MAXレンジは＝1256.3÷2.56＝490.7Hz 従つて分析バンド幅は＝490.7÷128／2.56 ＝9.81Hz 注目するスペクトルは 9.81×ｎ＝9.81×16＝157.0Hz 従つて、第16番目のバンドのスペクトルの音圧
レベルが、4700rpm時のトラツキングレベルとな
る。

以上のようにして、本発明によれば、フイルタ
の中心周波数が変化し、第９図には前記車両エン
ジンのこもり音分析におけるバンドパスフイルタ
の分析バンド幅特性が示されており、図から明ら
かなように、分析バンド幅はほとんど±１Hzのバ
ンド幅変動内に抑えることが可能となり、従来の
ようなバンド幅の拡大による誤差を確実に除去可
能である。

前述した実施例では分析するバンドパスフイル
タの中心周波数をトラツキング信号に同期した周
波数に一致させているが同様の作用を有する他の
実施例が第１０図に示され、上述の対応する部材
には同一符号を付して説明を省略する。

すなわち、トラツキング信号２００は回転数カ
ウンタ３０によつてその回転パルス信号が計数さ
れ、次にこの計数信号は間引率演算器３２に供給
されて所望の間引率が演算され、次にこの間引率
信号は間引回路３４へ供給され、サンプリング信
号発生器２８からのサンプリング信号に間引作用
が行なわれる。従つて、この間引率によつて周波
数分析レンジがある範囲で変化し、トラツキング
信号の周波数に分析する各次数の周波数スペクト
ルのバンド幅の中心周波数f_Cを次数倍で一致させ
ることが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、トラツ
キング信号の周波数変動に対してもバンド幅をほ
とんど一定とし、かつバンドの中心周波数をトラ
ツキング信号の周波数に一致させることができ
る。このため、特に高周波数帯域での誤差発生を
除去することが可能となる。そして、デジタルフ
ーリエ変換を効果的に利用して定幅トラツキング
分析を行なうことが可能となり、一台のFFT演
算器により所望の周波数分析が定幅トラツキング
可能となるので、従来のアナログ分析計のような
多数のフイルタを必要とすることなく、小型低コ
ストの分析装置を製造可能となり、特に車両等に
おいては車載型の分析計を可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のデジタルフーリエ変換を用いた
トラツキング周波数分析装置の概略構成を示すブ
ロツク図、第２Ａ，２Ｂ図は第１図の作用説明
図、第３図は本発明に係るトラツキング分析方法
を適用した分析回路の好適な第１ブロツク図を示
すブロツク図、第４図は第３図の例の作用説明
図、第５，６，７図は第３図の例の問題点を示す
説明図、第８図は本発明の分析方法を用いた回路
の好適な実施例を示すブロツク図、第９図は第８
図の特性図、第１０図は本発明の他の実施例を示
すブロツク図である。 １２……AD変換器、１４……バツフアメモ
リ、１６……FFT演算器、１８……スペクトル
検出回路、２８……サンプリング信号発生器、３
２……間引率演算器、３４……間引回路、１００
……被測定信号、２００……トラツキング信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 広帯域の周波数成分を含む被測定信号をデジ
   タルフーリエ演算して周波数スペクトルを求め、
   トラツキング信号の周波数に対応した周波数成分
   のスペクトルのみを取り出し、トラツキング信号
   の周波数変動に追従して被測定信号の周波数分析
   を行うトラツキング分析方法において、 被測定信号をほぼ一定のサンプリング周波数に
   基づいてサンプリングするとともに、トラツキン
   グ信号の周波数に対応した間引き率で間引き処理
   し、 この間引き処理されたデジタル信号をデジタル
   フーリエ変換し、 デジタルフーリエ変換された信号からトラツキ
   ング信号の周波数に対応した周波数スペクトルを
   取出し、 トラツキング周波数が変動しても周波数スペク
   トルのバンド幅がほぼ一定で、かつバンドの中心
   周波数がトラツキング信号の周波数に対応した周
   波数分析を行うことを特徴とするトラツキング分
   析方法。