JPH08137490A - 波形生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】周期性成分と非周期性成分とを含む波形の合成
を容易に行うこと。 【構成】運転機が任意の定運転状態にある時に発生され
る波形のうち周期成分の次数スペクトルを、運転機の周
期運動の周波数毎に記憶する。運転機が任意の定運転状
態にある時に発生される波形のうち非周期成分のスペク
トル包絡を、非周期成分に影響を与える運転状態を表す
１つの物理量である非周期運転状態毎に記憶する。波形
生成時に、運転機の周期運動の周波数を入力して、入力
された周波数に対応する次数スペクトルを生成し、その
次数スペクトルから時間軸上の周期成分を生成する。
又、運転機の非周期運転状態を入力して、入力された非
周期運転状態に対応するスペクトル包絡を生成し、その
スペクトル包絡と予め記憶されているホワイトノイズに
関する特徴量とから時間軸上の非周期成分を生成する。
周期成分と非周期成とを時間軸上で合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周期的運動を行う運転
機から発生される音波や弾性波等の波形を、時間軸上で
人為的に生成又は合成する装置に関する。たとえば、自
動車のエンジンによって発生される排気音等の波形を、
エンジンの回転数の変動に伴って、時間軸上で人為的に
生成又は合成する装置に応用できる。

【０００２】

【従来技術】従来、車両の走行音の改良、減少を目的と
した研究のために、車両の各種の走行状態に対応した走
行音を人為的に生成することが必要となっている。通
常、走行音を人為的に生成する場合には、エンジンの点
火周期に対応した基本周波数の整数倍の複数の正弦波を
合成することが行われている。又、特開平３−４６００
０号公報に見られるように、ロードノイズ等のエンジン
の回転数に依存しない非周期成分は、非周期性の矩形波
を低域通過フィルタを通過させて得られるホワイトノイ
ズとしている。そして、上記のように生成された周期成
分とホワイトノイズとを時間軸上で合成することで、車
両の走行音を生成している。

【０００３】又、別の方法として、実際の走行音を録音
して、離散的フーリエ変換によりスペクトルを求め、再
生時に所望のエンジン回転数、走行速度等に基づいて、
そのスペクトルを修正した後、逆変換して、走行音を人
為的に生成する方法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
は、非周期成分を非周期性の矩形波から疑似的に得てい
ることから、実際の車両の走行時に発生するロードノイ
ズ、風切音等を正確に再現していない。又、実際に録音
した波形のスペクトルを用いた離散的フーリエ逆変換に
よる方法も、高周波成分を忠実に再現できないという問
題がある。いずれにしても、従来の音波生成方法も原音
に忠実な生成が困難であり、車両走行音の正確なシュミ
レートが困難である。

【０００５】本発明は上記の課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的は、回転、往復運動等の周期
的運動を行う運転機の運転に伴って発生する音波、弾性
波等の波形を、運転機の運転速度に応じて時間軸上で生
成する場合に、より現実の波形に近い波形を生成できる
ようにすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、周期運動を含む運転機が発生し、周期
成分と非周期成分とを有する音波、弾性波等の波形を、
運転機の運転状態に応じて時間軸上で生成する波形生成
装置において、運転機が任意の定運転状態にある時に発
生される波形のうち周期成分を時間を変数とする直交関
数級数に展開した時の各項の係数の集合で定義される次
数スペクトルを、運転機の周期運動の周波数毎に記憶す
る次数スペクトル記憶手段と、運転機が任意の定運転状
態にある時に発生される波形のうち非周期成分のスペク
トル包絡を、非周期成分に影響を与える運転状態を表す
１つの物理量である非周期運転状態毎に記憶するスペク
トル包絡記憶手段と、波形生成時に、運転機の周期運動
の周波数を入力して、次数スペクトル記憶手段に記憶さ
れている定周波数毎のスペクトルから、入力された周波
数に対応する次数スペクトルを生成し、その次数スペク
トルから時間軸上の周期成分を生成する周期成分生成手
段と、波形生成時に、運転機の非周期運転状態を入力し
て、スペクトル包絡記憶手段に記憶されている定非周期
運転状態毎のスペクトル包絡から、入力された非周期運
転状態に対応するスペクトル包絡を生成し、そのスペク
トル包絡と予め記憶されているホワイトノイズに関する
特徴量とから時間軸上の非周期成分を生成する非周期成
分生成手段と、周期成分生成手段により生成された周期
成分と前記非周期成分生成手段により生成された非周期
成分とを時間軸上で合成する合成手段とを設けたことで
ある。

【０００７】又、他の発明は、ホワイトノイズに関する
特徴量は時間軸上の波形とし、非周期成分生成手段をス
ペクトル包絡に対応する時間軸上のインパルス応答と時
間軸上のホワイトノイズ波形とを畳み込み積分にして、
非周期成分を生成するようにしたことである。

【０００８】さらに、他の発明は、次数スペクトル記憶
手段に記憶されている定周波数毎の次数スペクトル、ス
ペクトル包絡記憶手段に記憶されている定非周期運転状
態毎のスペクトル包絡を、それぞれ、要求された特性に
応じて変更する変更手段を設けたことである。

【０００９】さらに、他の発明は、周期成分、非周期成
分共に、時間軸上の波形として記憶することで、リアル
タイムの波形生成を可能としたものである。即ち、上記
の次数スペクトル記憶手段、スペクトル包絡記憶手段、
変更手段及び合成手段とを有し、変更手段により変更さ
れた定周波数毎の次数スペクトルと定非周期運転状態毎
のスペクトル包絡とを、それらに対応した時間軸上の第
１インパルス応答と第２インパルス応答として、それぞ
れ記憶する第１時間波形記憶手段と、第２時間波形記憶
手段と、波形生成時に、運転機の周期運動の周波数を入
力して、第１時間波形記憶手段に記憶されている定周波
数毎の第１インパルス応答から、入力された周波数に対
応する第１インパルス応答により周期成分を生成する周
期成分生成手段と、波形生成時に、運転機の非周期運転
状態を入力して、第２時間波形記憶手段に記憶されてい
る定非周期運転状態毎の第２インパルス応答から、入力
された非周期運転状態に対応する第２インパルス応答を
生成し、その第２インパルス応答と予め記憶されている
時間軸上のホワイトノイズ波形との畳込み積分により時
間軸上の非周期成分を生成する非周期成分生成手段とを
設けたことである。

【００１０】

【作用及び発明の効果】予め、周期的運動を行う運転機
が任意の定速度運転状態にある時に発生される波形のう
ち周期成分に関しては、時間を変数とする直交関数級数
に展開した時の各項の係数の集合で定義される次数スペ
クトルが周波数毎に記憶され、非周期成分に関しては、
スペクトル包絡が非周期運転状態毎に記憶される。

【００１１】波形生成時には、運転機の周期運動の周波
数と非周期成分を決定する非周期運転状態とを入力し
て、予め記憶されている定周波数毎の次数スペクトルか
ら入力された周波数に対応する次数スペクトルが生成さ
れ、予め記憶されている非周期運転状態毎のスペクトル
包絡から、入力された非周期運転状態に対応するスペク
トル包絡が生成される。その後、そのように生成された
次数スペクトルから時間軸上の周期成分が生成され、そ
のように生成されたスペクトル包絡と予め記憶されてい
るホワイトノイズに関する特徴量とから時間軸上の非周
期成分が生成される。そして、上記の時間軸上の周期成
分と非周期成分とが合成されて、所望のシュミレートす
べき波形が生成される。

【００１２】このように、非周期成分は、原音の非周期
成分の連続したスペクトラム包絡と所定のホワイトノイ
ズとから生成されるので、原音の非周期成分を忠実に生
成することができる。

【００１３】又、請求項２の発明では、ホワイトノイズ
に関する特徴量は、ホワイトノイズの時間軸上の波形と
して記憶されており、その時の非周期運転状態に対応し
たスペクトル包絡のインパルス応答と、ホワイトノイズ
の時間波形との畳み込み積分演算により時間軸上の非周
期成分が生成される。このように、時間軸上のホワイト
ノイズと非周期成分の周波数成分を決定するスペクトル
包絡のインパルス応答とが考慮されることから、原音の
非周期成分がより忠実に再生される。

【００１４】又、請求項３の発明では、次数スペクトル
とスペクトル包絡とが、それぞれ、要求された特性に応
じて変更されることから、運転状態に応じた音色や所望
の音色等、周波数に関係する波形の諸量を容易に変更す
ることができる。

【００１５】又、請求項４の発明では、特性変更後の周
波数毎の次数スペクトルに対応した第１インパルス応答
が周波数毎に記憶され、特性変更後の非周期運転状態の
スペクトル包絡に対応した第２インパルス応答が非周期
運転状態毎に記憶されている。そして、波形生成時に
は、入力された運転機の周期運動の周波数と非周期運動
を決定する非周期運転状態とから、それらの値に対応す
る第１インパルス応答と第２インパルス応答とが生成さ
れる。第１インパルス応答はそのまま周期成分となり、
第２インパルス応答と時間軸上のホワイトノイズ波形と
の畳み込み積分演算により非周期成分が生成される。そ
して、両者が合成されて所望の波形が生成される。この
ように、周期成分と非周期成分とを時間軸上のインパル
ス応答でそれぞれ記憶していることから、周期成分と非
周期成分の生成が短時間で行え、波形のリアルタイムの
再生を可能としているとともに、周期成分と非周期成分
とを独立に時間軸上で生成でき、運転状態に応じた音色
や所望の音色を自由に得ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を具体的な一実施例に基づいて
説明する。本実施例装置は、本発明を自動車の走行時に
おける車室音を合成する装置に応用したものである。よ
って、本実施例では、特許請求の範囲の周期運動はエン
ジンの回転運動であり、非周期運動は自動車の走行であ
る。又、波形の周期成分はエンジン音であり、非周期成
分は自動車の走行に伴うロードノイズ、風切り音等であ
る。さらに、周期運動の周波数はエンジンの回転数（単
位時間当たり）であり、非周期成分を決定する非周期運
転状態は車速である。

【００１７】次数スペクトルの作成 自動車を実際に走行させて、運転席窓側耳位置で騒音計
とＤＡＴデータレコーダとを用いて集音する。走行状態
としては変速機を２ndにしてアクセル全開で加速し、全
閉で減速した。この集音された波形をエンジンの回転数
に比例した周期でサンプリングする。即ち、エンジン１
回転当たりのサンプリング数を回転数にかかわらず一定
としている。この集音した波形を周波数分析（フーリエ
級数展開）して、図３に示すように、各項の係数（回転
次数成分）（以下、「次数スペクトル」という）を求め
る。この次数スペクトルは、エンジン回転数１００rpm
毎に測定される。この次数スペクトルが回転数毎に次数
スペクトル記憶装置１０に記憶される。

【００１８】スペクトル包絡の作成 自動車を惰性運転で走行させ、上記のように車室内の音
を集音した。この惰性走行運転時の時間軸上の波形は、
図４の（ａ）に示すようになる。録音した波形を一定時
間間隔（サンプリング周波数１０kHz)でサンプリングし
た。そして、サンプリングデータに対して周波数分析を
行い（図４の（ｂ））、ケプストラム法を用いて図４の
（ｃ）に示すようなスペクトル包絡を抽出した。このス
ペクトル包絡は車速５km/h毎に演算され、スペクトル包
絡記憶装置１１に記憶される。

【００１９】次数スペクトル及びスペクトル包絡の修正 図１に示す装置において、ＣＰＵ２０、キーボード２
１、ＣＲＴ２２によるコンピュータシステムにより特性
が修正される。図２のステップ１００において、ＣＲＴ
２２に各種のフィルタ特性が表示され、作業者はそのフ
ィルタ特性を選択すると共にその特性をさらに修正する
等して、フィルタ特性を決定する。次に、ステップ１０
２へ移行して、次数スペクトル記憶装置１０に記憶され
ている各回転数毎の次数スペクトルの特性をそのフィル
タ特性に従って修正する。その修正された特性は、次数
スペクトル記憶装置１０の変更領域に記憶される。

【００２０】次に、ステップ１０４において、２種類の
スペクトルの変更が完了したか否か、即ち、次数スペク
トルとスペクトル包絡の２種類の特性が完了したか否か
が判定され、完了していない場合には、ステップ１００
に戻り、次数スペクトルと同様にスペクトル包絡の変更
のためのフィルタ特性がＣＲＴ２２を用いて生成され
る。そして、同様にスペクトル包絡の変更が行われ、修
正されたスペクトル包絡がスペクトル包絡記憶装置１１
の変更領域に記憶される。

【００２１】この特性変更により、エンジンの音色、ロ
ードノイズや風切り音等の音色の修正が行われる。

【００２２】次に、ステップ１０６において、次数スペ
クトル記憶装置１０に記憶されている変更後の次数スペ
クトルを用いて時間軸上の波形に逆変換、即ち、図５に
示すような第１インパルス応答を求めて、第１インパル
ス応答記憶装置３０に記憶される。この第１インパルス
応答はエンジンの２回転分（周期成分の１周期分）だけ
生成される。又、この第１インパルス応答はエンジン回
転数１００rpm 毎に演算され、第１インパルス応答記憶
装置３０に記憶される。

【００２３】同様に、ステップ１０８において、スペク
トル包絡記憶装置１１に記憶されている変更後のスペク
トル包絡は、時間軸上の波形に逆変換、即ち、図６に示
すように第２インパルス応答に変換され、第２インパル
ス応答記憶装置３１に記憶される。この第２インパルス
応答は所定時間分だけ、車速５km/h毎に生成される。こ
の第２インパルス応答は図６に示すように、第２インパ
ルス応答記憶装置３１に記憶される。

【００２４】周期成分の合成 周期成分の波形合成は、図１に示すように、第１インパ
ルス応答記憶装置３０に記憶されたエンジン回転数毎の
第１インパルス応答波形と、スロットル開度検出器４１
で検出されたスロットル開度、エンジン回転数検出器４
２で検出されたエンジン回転数とを用いて、ＣＰＵ４０
により実行される。その合成手順は図７に示されてい
る。

【００２５】図７に示すＣＰＵ４０による波形の生成処
理は、エンジンの２回転毎に同期して繰り返し実行され
る。ステップ２００でスロットルバルブの開度を検出す
るスロット開度検出器４１、エンジン回転数を検出する
エンジン回転数検出器４２から、それぞれ検出信号が入
力さる。次に、ステップ２０２において、図６に示すよ
うに、第１インパルス応答記憶装置３０から、検出され
たエンジン回転数に対応した第１インパルス応答波形が
抽出される。

【００２６】次に、ステップ２０４において、スロット
ル開度に比例して、ステップ２０２で抽出された第１イ
ンパルス応答波形の振幅が調整される。次に、ステップ
２０６で、上記のように生成された周期成分波形がＤ／
Ａ変換器４５に出力される。周期成分はＤ／Ａ変換器４
５によりアナログ波形に変換されて、制御装置４６を介
して混合器４７に出力される。尚、制御装置４６はエン
ジン回転数を入力しており、Ｄ／Ａ変換器４５に変換タ
イミングのクロックを付与している。

【００２７】非周期成分の合成 非周期成分の合成は、図１に示すように、第２インパル
ス応答記憶装置３１に記憶された車速毎の第２インパル
ス応答波形と、ホワイトノイズ記憶装置３２に記憶され
た図４の（ｄ）に示すようなホワイトノイズ波形と、車
速検出器４３で検出された車速とを用いて、ＣＰＵ５０
により実行される。非周期成分の合成は、図８に示す処
理手順により実行される。

【００２８】図８に示す処理手順は、１秒毎に繰り返し
実行される。ステップ３００において、車速検出器４３
から検出された車速が入力される。次に、ステップ３０
２において、図６に示すように、第２インパルス応答記
憶装置３１から、検出された車速に対応した第２インパ
ルス応答波形が抽出される。次に、ステップ３０４にお
いて、図４の（ｄ）に示すように、ステップ３０２で抽
出された第２インパルス応答波形とホワイトノイズ記憶
装置３２に記憶されているホワイトノイズ波形との畳込
み積分（フィルタリング）が実行される。

【００２９】さらに、図６に示すように、ステップ３０
４で非周期成分の時間波形がフィルタリング処理された
後、ステップ３０６で検出された車速に応じてその波形
の振幅が調整される。そして、ステップ３０８でその振
幅の調整された非周期成分波形がＤ／Ａ変換器４４に出
力される。Ｄ／Ａ変換器４４の出力する非周期成分のア
ナログ信号は混合器４７に出力される。

【００３０】混合器４７で周期成分と非周期成分とが混
合されて、増幅器４８で増幅されて、その増幅信号はス
ピーカ４９に入力して、スピーカ４９からエンジン音等
の周期成分とロードノイズ等の非周期成分とが合成され
た可聴音が出力される。

【００３１】上記の合成過程において、車速が変化する
場合の合成される非周期成分の波形を図９の（ｃ）に示
す。図から明らかなようにスペクトル包絡を車速５Km/h
毎に準備しておき、１秒間隔で波形生成処理を実行する
ことで、滑らかに変化する非周期成分が得られる。

【００３２】このように、周期成分と非周期成分が共に
時間軸上での波形として、それぞれ、エンジン回転数
毎、車速毎に記憶されているので、合成を短時間で行う
ことができ、エンジン回転数、車速の入力に対してリア
ルタイムで合成することができる。

【００３３】又、音色等の特性変更は周波数空間での特
性について実行されることから、その音色等を精密に精
度良く変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の具体的な一実施例に係る波形生成装置
の構成を示したブロック図。

【図２】ＣＰＵによる特性の変更方法を示したフローチ
ャート。

【図３】次数スペクトル、スペクトル包絡の生成及び周
期成分、非周期成分の合成方法を示した説明図。

【図４】スペクトル包絡の生成と非周期成分の合成を示
した説明図。

【図５】波形生成装置のうち周期成分の合成装置を示し
たブロック図。

【図６】非周期成分の合成を示したブロック図。

【図７】周期成分のＣＰＵによる合成手順を示したフロ
ーチャート。

【図８】非周期成分のＣＰＵによる合成手順を示したフ
ローチャート。

【図９】非周期成分の合成を示した波形図。

【符号の説明】 １０…次数スペクトル記憶装置（次数スペクトル記憶手
段） １１…スペクトル包絡記憶装置（スペクトル包絡記憶手
段） ２０…ＣＰＵ（周期成分生成手段） ３０…第１インパルス応答記憶装置（第１時間波形記憶
手段） ３１…第２インパルス応答記憶装置（第２時間波形記憶
手段） ５０…ＣＰＵ（非周期成分生成手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期運動を含む運転機が発生し、周期成
   分と非周期成分とを有する音波、弾性波等の波形を、前
   記運転機の運転状態に応じて時間軸上で生成する波形生
   成装置において、 前記運転機が任意の定運転状態にある時に発生される前
   記波形のうち周期成分を時間を変数とする直交関数級数
   に展開した時の各項の係数の集合で定義される次数スペ
   クトルを、前記運転機の前記周期運動の周波数毎に記憶
   する次数スペクトル記憶手段と、 前記運転機が任意の定運転状態にある時に発生される前
   記波形のうち非周期成分のスペクトル包絡を、非周期成
   分に影響を与える運転状態を表す１つの物理量である非
   周期運転状態毎に記憶するスペクトル包絡記憶手段と、 波形生成時に、前記運転機の前記周期運動の周波数を入
   力して、前記次数スペクトル記憶手段に記憶されている
   前記定周波数毎のスペクトルから、入力された前記周波
   数に対応する次数スペクトルを生成し、その次数スペク
   トルから時間軸上の周期成分を生成する周期成分生成手
   段と、 波形生成時に、前記運転機の前記非周期運転状態を入力
   して、前記スペクトル包絡記憶手段に記憶されている前
   記定非周期運転状態毎のスペクトル包絡から、入力され
   た前記非周期運転状態に対応するスペクトル包絡を生成
   し、そのスペクトル包絡と予め記憶されているホワイト
   ノイズに関する特徴量とから時間軸上の非周期成分を生
   成する非周期成分生成手段と、 前記周期成分生成手段により生成された周期成分と前記
   非周期成分生成手段により生成された非周期成分とを時
   間軸上で合成する合成手段とを有することを特徴とする
   波形生成装置。
2. 【請求項２】 前記ホワイトノイズに関する特徴量は時
   間軸上の波形であり、前記非周期成分生成手段は前記ス
   ペクトル包絡に対応する時間軸上のインパルス応答と前
   記時間軸上のホワイトノイズ波形とを畳み込み積分にし
   て、前記非周期成分を生成することを特徴とする請求項
   １に記載の波形生成装置。
3. 【請求項３】 前記次数スペクトル記憶手段に記憶され
   ている前記定周波数毎の次数スペクトル、前記スペクト
   ル包絡記憶手段に記憶されている前記定非周期運転状態
   毎のスペクトル包絡を、それぞれ、要求された特性に応
   じて変更する変更手段をさらに有することを特徴とする
   請求項１に記載の波形生成装置。
4. 【請求項４】 周期運動を含む運転機が発生し、周期成
   分と非周期成分とを有する音波、弾性波等の波形を、前
   記運転機の運転状態に応じて時間軸上で生成する波形生
   成装置において、 前記運転機が任意の定運転状態にある時に発生される前
   記波形のうち周期成分を時間を変数とする直交関数級数
   に展開した時の各項の係数の集合で定義される次数スペ
   クトルを、前記運転機の前記周期運動の周波数毎に記憶
   する次数スペクトル記憶手段と、 前記運転機が任意の定運転状態にある時に発生される前
   記波形のうち非周期成分のスペクトル包絡を、非周期成
   分に影響を与える運転状態を表す１つの物理量である非
   周期運転状態毎に記憶するスペクトル包絡記憶手段と、 前記次数スペクトル記憶手段に記憶されている前記定周
   波数毎の次数スペクトル、前記スペクトル包絡記憶手段
   に記憶されている前記定非周期運転状態毎のスペクトル
   包絡を、それぞれ、要求された特性に応じて変更する変
   更手段と、 前記変更手段により変更された定周波数毎の次数スペク
   トルと定非周期運転状態毎のスペクトル包絡とを、それ
   らに対応した時間軸上の第１インパルス応答と第２イン
   パルス応答として、それぞれ記憶する第１時間波形記憶
   手段と、第２時間波形記憶手段と、 波形生成時に、前記運転機の前記周期運動の周波数を入
   力して、前記第１時間波形記憶手段に記憶されている前
   記定周波数毎の第１インパルス応答から、入力された前
   記周波数に対応する第１インパルス応答により時間軸上
   の周期成分を生成する周期成分生成手段と、 波形生成時に、前記運転機の前記非周期運転状態を入力
   して、前記第２時間波形記憶手段に記憶されている前記
   定非周期運転状態毎の第２インパルス応答から、入力さ
   れた前記非周期運転状態に対応する第２インパルス応答
   を生成し、その第２インパルス応答と予め記憶されてい
   る時間軸上のホワイトノイズ波形との畳込み積分により
   時間軸上の非周期成分を生成する非周期成分生成手段
   と、 前記周期成分生成手段により生成された周期成分と前記
   非周期成分生成手段により生成された非周期成分とを時
   間軸上で合成する合成手段とを有することを特徴とする
   波形生成装置。