(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１５）および／または電気モータを備える車両のための音生成システムであって、
電気入力信号に応じて音響信号を発生させるように構成され、前記車両の周囲および／または前記車両の排気配管（９）内へ音を伝送するように構成された音響伝送系（７）に接続された電気音響変換器（１１）と、
所定の周波数範囲の周波数を有する一次オーディオ信号を生成し、前記一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントにおける増幅されたオーディオ信号が、すべてのオーディオ信号値が当該セグメント用に指定された最大振幅値に相当するようなセクションを少なくとも１つ有し、かつ、前記選択されたセグメントにおいて増幅された前記オーディオ信号（４１）のグラフが、前記少なくとも１つのセクションから隣接するセクションへの移行部で連続するように、前記選択されたセグメントを選択的に増幅するように構成された制御ユニット（２４、７４）とを含み、
前記制御ユニットによって生成された前記オーディオ信号（４１）が前記電気入力信号の基礎となる、音生成システム（１、７０）。
【請求項２】
前記制御ユニットが前記車両エンジン（１５）の現在の各動作パラメータに応じて前記一次オーディオ信号を生成するように構成された、請求項１に記載の音生成システム。
【請求項３】
前記車両が内燃機関（１５）を有する場合、前記音響伝送系（７）が前記エンジン（１５）の排気配管（９）に固定されているときに前記電気音響変換器（１１）によって生成された音響信号が前記排気配管内を伝達される排気音に重畳されるように、前記音響伝送系（７）が前記排気配管（９）に接続されるように構成された、請求項１または２に記載の音生成システム。
【請求項４】
前記排気配管（９）内のある位置における音圧を電気計測信号に変換するように構成された追加の電気音響変換器（１３）を有し、前記ある位置が、排気流に関して前記音響伝送系（７）の接続部の下流にあり、前記制御ユニットが、前記計測信号に応じて前記一次オーディオ信号を生成するように構成された、請求項３に記載の音生成システム。
【請求項５】
前記音響変換器によって生成された音響信号が前記音響伝送系から車両の外部領域または内部領域へ直接放出されるように、前記音響伝送系（７）が車両の車体に接続されるように構成された、請求項１または２に記載の音生成システム。
【請求項６】
前記制御ユニットが、
前記選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が所定の最大振幅値よりも大きくなるように、前記選択されたセグメントにおける前記一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算することと、
そのようにして得られた乗算後の値のそれぞれを前記所定の最大振幅値と比較することと、
該値が前記最大振幅値よりも大きい場合は該乗算後の値を前記最大振幅値に設定することと、によって、前記選択されたセグメントにおける前記オーディオ信号を生成するように構成された、請求項１から５のうちの一項に記載の音生成システム。
【請求項７】
前記制御ユニットが、
前記選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が前記所定の最大振幅値よりも大きくなるように、前記選択されたセグメントにおける前記一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算することと、
乗算後の値のそれぞれを前記最大振幅値と比較することと、
前記オーディオ信号のすべての値が前記最大振幅値に相当するようなセクションが前記選択されたセグメント内に形成され、かつ、前記オーディオ信号が該セクションの隣接セクションとの境界に角を有さないように、第１の乗算後の値に該第１の乗算後の値と前記最大振幅値との差に応じた乗算係数を繰り返し乗算することと、によって、前記選択されたセグメントにおける前記オーディオ信号を生成するように構成された、請求項１から５のうちの一項に記載の音生成システム。
【請求項８】
前記制御ユニットが、前記オーディオ信号を生成するための電子回路を有する、請求項１から７のうちの一項に記載の音生成システム。
【請求項９】
前記制御ユニットが、前記オーディオ信号を生成するためにソフトウェア処理装置を有する、請求項１から７のうちの一項に記載の音生成システム。
【請求項１０】
前記制御ユニットが、飽和について前記オーディオ信号を制限するために動作する増幅装置を有する、請求項１から７のうちの一項に記載の音生成システム。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちの一項に記載の音生成システム（１、７０）を備える車両。
【請求項１２】
オーディオ信号を生成するための方法であって、
車両エンジンの現在の動作特性を表すパラメータに応じて、所定の周波数範囲の周波数を有する一次オーディオ信号を生成するステップと、
前記一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントにおいて増幅されたオーディオ信号が、すべてのオーディオ信号値が当該セグメント用に指定された最大振幅値に相当するようなセクションを少なくとも１つ有し、かつ、前記選択されたセグメントにおいて増幅されたオーディオ信号が、前記少なくとも１つのセクションから隣接するセクションへの移行部で連続するように、前記選択されたセグメントを選択的に増幅するステップと、を含む方法。
【請求項１３】
前記一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントを選択的に増幅するステップが、
前記選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が所定の最大振幅値よりも大きくなるように、前記選択されたセグメントにおける前記一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算するサブステップと、
そのようにして得られた乗算後の値のそれぞれを前記所定の最大振幅値と比較するサブステップと、
該乗算後の値が前記最大振幅値よりも大きい場合は該乗算後の値を前記最大振幅値に設定するサブステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントを選択的に増幅するステップが、
前記選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が前記所定の最大振幅値よりも大きくなるように、前記選択されたセグメントにおける前記一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算するサブステップと、
そのように得られた乗算後の値のそれぞれを前記最大振幅値と比較するサブステップと、
前記オーディオ信号のすべての値が前記最大振幅値に相当するようなセクションが前記選択されたセグメント内に形成され、かつ、前記オーディオ信号が該セクションと隣接セクションとの境界に角を有さないように、第１の乗算後の値に該第１の乗算後の値と前記最大振幅値との差に応じた乗算係数を繰り返し乗算するサブステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、「AKTIVE GESTALTUNG VON ABGASGERAUSCHEN」という名称の独国にて２０１１年１２月２日付で出願された特許出願第１０  ２０１１  １２０  ０５１．０号の優先権を主張するものであり、この出願の内容全体を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、内燃機関、ハイブリッド駆動ユニット、または電気モータで動作する車両のための排気音の能動的設計に関する。本発明は、特に、排気音の音響パターン全体に影響を与えることに関する。
【背景技術】
【０００３】
内燃機関の動作は、レシプロエンジン、ピストンのないロータリーエンジン、またはフリーピストンエンジンのようなそれらの特定の設計に関係なく、混合気の吸気および圧縮、燃焼、ならびに燃焼混合気の排出などのような、ある一定の過程が実施される各行程の繰返しとして行われる。これによって発生する音は、一方では、固体伝搬音として直接エンジンを伝わり、他方では、燃焼ガスと共にエンジンの排気系統または排気配管を通って出ていく。
【０００４】
固体伝搬音として内燃機関を伝わる音は、一般に、車両のエンジンルーム内の適切な遮音材によって良好に遮音できる。
【０００５】
排気ガスと共に漏れ出る音響放出を低減させるために、通常は吸音装置が排気ダクト内に配置される。このような消音器は、例えば、吸収および／または反射の原理によって動作し得る。電気音響的に生成されたアンチノイズパルス列を燃焼ガスと共に伝えられる音波パルス列に重畳する、いわゆるアクティブ消音またはサウンドキャンセレーションシステムも知られている。対向音システムとしても知られるこのようなアクティブ消音システムは、例えば、下記特許文献１〜１８に記載されている。
【０００６】
しかしながら、いくつかの理由から、排気音を完全に排除することは望ましくない。一方では、ほぼ無音の車両は道路交通においてかなりの安全上の危険となる。これは、通行人は、その車両が中心視野に入った後でしか、その車両を認識できないからである。したがって、通行人は、横からや後ろから接近する非常に低騒音の車両に普通は気付かない。さらに、たいていの車両運転者は、彼らの車両の速度および加速度や車両の駆動システムの潜在的異常を排気音によって推定することに慣れている。このため、例えば、車両停止時の減筒に伴う騒音低減が、もしかしたら車両の駆動システムが故障しているかもしれないと乗員を心配させることがよくある。最後に、車両が人々に与える印象は、その視覚的外見のみならず、それと同じだけ大きい程度に運転騒音、特に排気音の音響パターンによっても左右されることにも言及する必要がある。
【０００７】
最新のディーゼル車両やハイブリッド駆動システムを備える車両の場合、一般に、実際のエンジン出力や車両速度を通常の方法で排気音から判断することはできなくなっている。全くそのように、減筒状態の車両の運転者は、エンストさせていないと十分確信することができない。
【０００８】
したがって、車両の排気系統において用いるための、排気音を人工的に生成することができるアクティブサウンドシステムが開発されている。該当するシステムは、内燃機関の排気配管にコネクタ部品によって接続されて、電気音響的に生成された音波をエンジンにおける燃焼過程によって発生した音波に重畳する電気音響変換器を有する。このような方法で、車両の排気音を意図的に修正することができる。変換器の電気入力信号は、制御器によって、エンジン回転数や点火順序のようなエンジンパラメータの現在の値を考慮して、いわゆる制御信号として生成される。
【０００９】
このような制御器の現行の実施形態は、制御信号を生成するためのソフトウェア処理装置を有しており、このソフトウェア処理装置では、生成する制御信号を、特定のエンジン動作状態に対して望ましい排気音パターンに従って発生させる。但し、技術的な制限により、このようなソフトウェア生成制御信号の周波数範囲は今のところ約５００Ｈｚが限界であり、結果として得られる排気音は、人工的で不自然なものとして知覚されることになる。ここで、自然な排気音とは、マフラーを使用する従来の排気系統で生成されるような音響パターンを有する排気音のことである。
【００１０】
自然な感じの音響パターンのためには、制御信号がより高い周波数成分を有していなければならないが、これらを別途生成することは、制御装置に大きな負担がかかるため、実用的ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第４，１７７，８７４号
【特許文献２】米国特許第５，２２９，５５６号
【特許文献３】米国特許第５，２３３，１３７号
【特許文献４】米国特許第５，３４３，５３３号
【特許文献５】米国特許第５，３３６，８５６号
【特許文献６】米国特許第５，４３２，８５７号
【特許文献７】米国特許第５，６００，１０６号
【特許文献８】米国特許第５，６１９，０２０号
【特許文献９】欧州特許第０  ３７３  １８８号
【特許文献１０】欧州特許出願公開第０  ６７４  ０９７号
【特許文献１１】欧州特許第０  ７５５  ０４５号
【特許文献１２】欧州特許第０  ９１６  ８１７号
【特許文献１３】欧州特許第１  ０５５  ８０４号
【特許文献１４】欧州特許第１  ６２７  ９９６号
【特許文献１５】独国特許出願公開第１９７  ５１  ５９６号
【特許文献１６】独国特許第１０  ２００６  ０４２  ２２４号
【特許文献１７】独国特許出願公開第１０  ２００８  ０１８  ０８５号
【特許文献１８】独国特許出願公開第１０  ２００９  ０３１  ８４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
よって、以上を踏まえて、内燃機関もしくはハイブリッド駆動システムを備える車両の排気系統または純粋な電気駆動システムを備える車両のための、当該車両の特定の駆動システム条件に特有の自然な排気音を発生させる音生成システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
内燃機関および／または電気モータを備える車両のためのこのような音生成システムの実施形態は、電気音響変換器と制御ユニットとを有し、電気音響変換器は、電気入力信号に応じて音響信号を発生させるように構成され、車両の周囲および／または車両の排気配管内へ音を伝送するように構成された音響伝送系に接続され、制御ユニットは、第１の周波数範囲の周波数を有する一次オーディオ信号を生成し、この一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントが増幅されたオーディオ信号が、すべてのオーディオ信号値が当該セグメント用に指定された最大振幅値に相当するようなセクションを少なくとも１つ有し、かつ、上記選択されたセグメントにおいて増幅されたオーディオ信号のグラフが、該少なくとも１つのセクションから隣接するセクションへの移行部で連続するように、上記選択されたセグメントを選択的に増幅するように構成され、制御ユニットによって生成されたオーディオ信号は上記電気入力信号の基礎となる。
【００１４】
このような、セクション単位で振幅が制限された電気音響変換器への入力信号は、従来の内燃機関の排気系統に匹敵する自然な音響パターンを電気音響変換器によって生成される音響信号に与える高い高調波含有率を有する。
【００１５】
なお、この関連において、本明細書および特許請求項において用いられる用語「含む（comprise）」、「有する（have）」、「含有する（contain）」、「含む（include）」、および「備える（with）」、ならびにそれらの文法的変化は、概して、方法のステップ、装置、範囲、大きさなどのような特徴の非制限的な列挙として理解されるものであり、他のもしくは追加の特徴または他のもしくは追加の特徴のグループの存在を除外するものではない。
【００１６】
このような音生成システムの有利な実施形態において、制御ユニットは、車両エンジンの現在の各動作パラメータに応じて一次オーディオ信号を生成するように構成され、生成された音響パターンとエンジンの現在の各動作条件とが確実に直接結び付けられる。
【００１７】
上記音生成システムの実施形態における音響伝送系は、応用目的に従って異なった構成を有する。例えば、内燃機関を備えた車両の場合、音響伝送系は、音響伝送系が排気配管に固定されているときに電気音響変換器によって生成された音響信号が排気配管内を伝達される排気音に重畳されるように、エンジンの排気配管に接続されるように構成される。電気車両のような排気ガスを出さない車両の場合、音響伝送系は、音響変換器によって生成された音響信号が音響伝送系から車両の外部領域または内部領域へ直接放出されるように、車両の車体に接続されるように構成される。
【００１８】
内燃機関と共に用いられる実施形態は、排気配管上の音圧を電気計測信号に変換するように構成され、排気流に関して音響伝送系の接続部の下流に配置された、追加の電気音響変換器を有する。この場合の制御ユニットは、上記計測信号に応じて一次オーディオ信号を生成するように構成される。これに対応する実施形態は、エンジンにおける燃焼過程に起因する音放出を対抗音に基づいて低減させることと、排気音を能動的に修正または設計することとを可能にする。
【００１９】
高い周波数を有する高い高調波含有率を生成するために、このような音生成システムの有利な実施形態における制御ユニットは、選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が所定の最大振幅値よりも大きくなるように、選択されたセグメントにおける一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算する作業ステップと、そのようにして得られた乗算後の値のそれぞれを上記所定の最大振幅値と比較する作業ステップと、この値が上記最大振幅値よりも大きい場合は当該乗算後の値を上記最大振幅値に設定する作業ステップとによって、選択されたセグメントにおけるオーディオ信号を生成するように構成される。
【００２０】
上述の音生成システムの他の有利な実施形態は、電気音響変換器の入力信号のうちのより高い周波数の高調波含有率に影響を与えることを可能にし、それにより、当該変換器によって生成される音響信号の音響パターンをより容易に所定の音響パターンに適合させることができる。このために、制御ユニットは、選択されたセグメントの少なくとも１つの部分における乗算後の値が所定の最大振幅値よりも大きくなるように、選択されたセグメントにおける一次オーディオ信号のすべての値に一定値を乗算する作業ステップと、乗算後の値のそれぞれを上記最大振幅値と比較する作業ステップと、オーディオ信号のすべての値が上記最大振幅値に相当するようなセクションが当該選択されたセグメント内に形成され、かつ、オーディオ信号がこのセクションの隣接するセクションへの境界で角を有さないように、第１の乗算後の値に該第１の乗算後の値と最大振幅値との差に応じた乗算係数を繰り返し乗算する作業ステップとによって、選択されたセグメントにおけるオーディオ信号を生成するように構成される。より高い周波数の高調波の含有率は、２回目の乗算で生成されるオーディオ信号が最大振幅値のセグメントへ丸められる程度によって調節することができる。
【００２１】
上記音生成システムの実施形態における制御ユニットは、ソフトウェア処理によってオーディオ信号を生成するように構成され、したがって、アクティブ消音システムのための既存の制御ユニットにおいて構造的変化なしに有利に実現することができる。他の実施形態において、制御ユニットは、処理用の、任意には一次オーディオ信号生成用でもある、電子回路を含む。
【００２２】
オーディオ信号のうちの選択されたセグメントを増幅するために、上記制御ユニットの実施形態は、飽和についてオーディオ信号を制限するために動作し、ひいては指定されたように過励振オーディオ信号を生成する増幅装置を有する。好ましくは、このために、利得係数を制御可能な増幅装置が用いられ、この利得係数の制御はエンジンパラメータに応じて時間変化するので、一次オーディオ信号のうちのあるセグメントのみが過励振される。なお、この関連において、用語「制御（control）」は、本文書の全体にわたって、別段の明記がない限り、ドイツ語の用法から逸脱して、用語「フィードバック制御（feedback control）」と等しいものとして使われる。このことは、これら２つの用語のすべての文法的変化にも関する。したがって、本文書において、用語「制御する（controlling）」は、用語「フィードバック制御」が単純なフィードバック無しの制御回路に関し得るのと同様に、制御変数またはその計測値をフィードバックすることも含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の上記およびその他の有利な特徴は、以下の本発明の代表的な実施形態の詳細な説明および添付の図面からより明白になる。なお、本発明のすべての考えられ得る実施形態が、本明細書において明らかにされる利点のひとつひとつのすべて、またはいずれかを提示するとは必ずしも限らない。
【００２４】
本発明のさらなる特徴は、特許請求項と共に以下の代表的な実施形態の説明および図面に記載される。図面においては、同一また類似の要素を同一または類似の参照記号で示す。なお、本発明は、以下に説明する例示的実施形態の実施形態に限定されるのではなく、同封の特許請求項の範囲によって定められる。特に、本発明の各実施形態における個々の特徴が、以下に述べる例とは異なる数および組合せで実現されてもよい。以下の本発明の代表的な実施形態の説明においては、同封の次の図面を参照する。
【図１】音生成システムの概略斜視図である。
【図２】内燃機関の排気系統と連動する音生成システムを説明するための概略図である。
【図３】内燃機関のある定常動作状態についての排気配管内の音圧の周波数依存性を表す。
【図４】電気音響変換器に自然な排気音を生成させるオーディオ信号を概略的に表す例示的なグラフを示す。
【図５】電気音響変換器に高周波数の高調波の含有率が低減した自然な排気音を生成させるオーディオ信号を概略的に表す例示的なグラフを示す。
【図６】制御ユニットによってエンジン回転数の関数として生成されたオーディオ信号の個々のスペクトル成分の周波数応答を示す。
【図７】内燃機関の排気系統と連動する能動的排気音設計を備えた消音システムを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に説明する代表的な実施形態においては、機能および構造が同じ構成要素には、可能な限り同じ参照符号を付している。そのため、ある特定の実施形態の個々の構成要素の特徴を理解するためには、本発明の他の実施形態および発明の概要の説明を参照してもよい。
【００２６】
見やすくするために、図面には、本発明を理解するのに必要な要素、構成要素、および機能のみを示している。しかしながら、本発明の実施形態は、説明されている要素、構成要素、および機能に限定されるわけではなく、それらの特定の用途または機能範囲について必要とみなされる他の要素、構成要素、および機能も含み得る。
【００２７】
図１は、音生成システム１の概略斜視図である。音生成システムは、図示した実施形態では上部シェル３と下部シェル５とによって形成された音生成器筐体であって、コネクタ部品７によって内燃機関（本図には図示せず）の排気配管９と図示のように音響接続可能な音生成器筐体を含む。エンジンから排気ガスと共に放出された音波パルス列は、排気配管のセクション９ａを通り抜けて、排気配管のセクション９ｂへ運ばれ、そこで、音生成器筐体によって放出された音と重畳される。
【００２８】
音生成システム１の構造は、図２の概略図に描かれている。内燃機関１５によって放出された排気ガスは、排気配管９を介して周囲へと運び去られる。排気ガスの化学的後処理のための触媒１７を排気配管９内に配置してもよい。また、従来のマフラー１８を排気配管９内に配置してもよい。エンジン１５における燃焼過程中に生成された音波パルス列も、排気ガスと共に排気配管９を伝わる。音波パルス列が発生させる排気音を修正するために、音生成器筐体４内に配置された電気音響変換器１１で音響信号が生成され、コネクタ部品７によって排気配管９の領域９ｂへ送り込まれ、当該領域で、燃焼機関で発生した音波パルス列に重畳される。電気音響変換器１１を汚れおよび腐食性ガスから保護するために、電気音響変換器１１が収容される空間は、音を伝える膜２５によって封止され得る。音波パルス列への音響信号の重畳は、図２に示すように、排気配管９の末端区域で行われ得る。他の実施形態においては、重畳区域９ｂを排気配管の外側開口からより遠くに位置させ、それにより、排気後処理モジュールを重畳区域９ｂと排気配管の開口との間に配置することが可能になる。
【００２９】
音波パルス列の時間変化および周波数スペクトルは、エンジン１５における燃焼過程の影響を受ける。重要な影響因子はエンジンの回転数および点火順序であるが、エンジン１５の慣性力に起因するより高い次数の音放出も重要な因子である。図３は、内燃機関がある特定の定常動作状態にある時の排気配管９内の音圧レベル３１の周波数依存性についての例を示す線図３０である。図３の線図から、特定の周波数とこの周波数の倍数においては音圧がその他の周波数範囲におけるよりも際立って高いことが明らかである。これらの音波放出次数はエンジン次数として知られている。一実施形態によると、エンジン次数という用語は、１サイクル当たりの内燃機関における周期的事象の発生頻度をいう。エンジン回転数が毎分回転数（ｒｐｍ）、周期的事象の発生頻度がＨｚで与えられるとすると、「エンジン次数」は、例えば、周期的事象の発生頻度に６０を掛けたものをエンジン回転数で割ったものと定義される。回転数や点火順序のような、エンジン次数を決定する影響因子は、エンジン制御ユニット１９によって、検出または設定され、音生成システム１へ伝送される。
【００３０】
電気音響変換器１１を制御するために、音生成システム１は、制御装置２１と増幅装置２３とを含む制御ユニット２４を有する。増幅装置２３は、制御装置２１によって生成されたオーディオ信号を増幅し、電気音響変換器１１へ供給される電気入力信号にする。
【００３１】
制御装置２１によるオーディオ信号の生成は、いくつかの段階または作業ステップで行われる。最初に、電気音響変換器１１によってある音響パターン特質を有する音響信号を生成するのに適した一次オーディオ信号が、あるエンジン動作パラメータを用いて生成される。リアルタイムでオーディオ信号を生成するために、通常は、信号テンプレートが採用される。これらの信号テンプレートは、それぞれが、ある特定のエンジン動作状態に割り当てられた一次オーディオ信号を表している。一次オーディオ信号を生成するためには、瞬時のエンジン動作状態に対応する信号テンプレートを（電子回路を用いて）選択または調整する。一次オーディオ信号生成の経費（expense）を妥当な範囲内にとどめるために、すなわち、一次オーディオ信号を生成するソフトウェアに過度な負担をかけたり、生成用に設計された電子回路を過度に複雑なものにしたりしないために、一次オーディオ信号の周波数範囲は所定の値に限定される。アクティブ消音システムのための目下入手可能な制御ユニットを用いると、周波数範囲は、最大周波数が５００Ｈｚ前後に限定され、不自然なものとして知覚される音響パターンが発生してしまう。
【００３２】
したがって、一次オーディオ信号は、オーディオ信号を生成するための方法の第２の段階または第２の作業ステップにおいて、過励振信号の典型的特質を有するように修正される。ここでは、許容領域を超える信号成分が、カットオフまたはクリッピング、あるいは、より正確には、一様な一定の最大値に設定される。このような信号ピークの「カットオフ」は、修正後の信号の形がもはや元の信号に忠実ではなくて歪んでおり、それにより、信号に生成された高調波の割合を表す追加の上音が信号スペクトルに生成されるという効果を有する。
【００３３】
実施形態において、制御ユニット２４は、一次オーディオ信号のうちの選択されたセグメントを選択的に増幅することによって得られる信号が、すべての信号値がその特定のセグメント用に設定された最大振幅値に相当するようなセクションを有し、その一方で、当該増幅された信号のグラフが、そのセクションから隣接するセクションへの移行部で連続するように、上記選択されたセグメントを選択的に増幅するように構成される。このような信号修正は、例えば、選択された信号セグメントをその特定のセグメント内の信号の１つのセクションが割り当てられた最大振幅値を超える値を有するように選択的に増幅し、その後、これらの値を最大振幅値に制限することによって実施できる。この最大振幅値とは、絶対値が最大値に相当するすべての振幅値のことであり、そのため、符号は正でもよく負でもよい。この文脈において、用語「連続する」は、その数学的な意味で理解されるものであり、そのため、セクション境界の１つにおける増幅された信号の左側の限界はこのセクション境界における増幅された信号の右側の限界と等しいので、増幅された信号は、セクション境界において、特に、急激に変化することなく、途切れてもいない。
【００３４】
このような修正後の一次オーディオ信号４１の一例を、図４の線図４０に概略的に示す。「Ｖ」で示した各セグメントにおいて、修正後のオーディオ信号４１は、一次オーディオ信号が増幅されたものを表し、それら以外のセグメントにおいて、修正後のオーディオ信号は、一次オーディオ信号のグラフを反映している。図４に示した例においては、オーディオ信号の最大振幅値は１０ボルトに制限されている。この値は一例を表しているにすぎず、対抗音を生成するために用いられる電気音響変換器、その動作条件および周囲条件、ならびにオーディオ信号を増幅するために用いられる増幅器２３などのような影響因子に応じて、１０Ｖとは異なる値をとり得る。最大振幅値への制限を行わなければ、一次オーディオ信号を増幅すると、振幅制限が行われたセクションは点線で示されたグラフとなる。この制限には、対応して増幅された信号をクリッピングする効果がある。
【００３５】
振幅ピークの「クリッピング」による信号の非線形性のため、信号スペクトルに追加の上音が発生し、残留排気音の音響パターンにいっそうの音の豊かさ（a more full body）を与える。信号エッジの勾配は、高調波のどのスペクトル成分がその他に対して強調されるかに影響を与え得る。この勾配は、制限なしで増幅された信号の最大振幅、つまり、図４の点線で描かれた信号曲線４２の振幅の、実際の信号振幅、つまり、図４の１０Ｖにおけるオーディオ信号４１の水平に延びているセクションの最大値に対する比率に非常に依存している。勾配が急になるほど、より高周波数の高調波の含有率が高くなる。
【００３６】
一実施形態によると、選択されたセグメントのみにおいてオーディオ信号を増幅および「クリッピング」することによって、燃焼ガスと共に伝えられる騒音つまり音波パルス列のアクティブ消音に必要なオーディオ信号の対抗音生成機能は基本的に維持されるが、その一方で、より自然に似た排気音を達成するための追加のより高い周波数の高調波が生成される。一実施形態によると、図４に示した例において、各信号周期のうちの、一次オーディオ信号の正負両方の振幅を有する信号部分（以下、「サブ周期」という）を囲む２つのゼロ交差の間にあるセグメント「Ｖ」が選択的に増幅される。一次信号のゼロ交差間で対応する選択的信号増幅を行うと、セグメントの境界において修正後のオーディオ信号に顕著な角がないので、実際上は、振幅の「クリッピング」だけがより高い周波数の高調波の生成に貢献する。
【００３７】
一実施形態によると、一次オーディオ信号は、同一のセクタからなる各シーケンスを含んでいる。よって、１つのシーケンス内ではセクタは周期的である。同一のセクタからなるシーケンス毎の持続時間は、一次オーディオ信号によってシミュレートされる燃焼機関の定常動作状態に対応する。例えば、同一のセクタからなるシーケンス毎の持続時間は、１００ｍｓを超え、好ましくは２００ｍｓを超え、さらに好ましくは５００ｍｓを超え得る。同一のセクタからなるシーケンスのこの持続時間により、シーケンスを形成する同一のセクタのどの周波数成分も周期関数とみなすことができる。本実施形態においては、増幅およびクリッピングのために同一のセクタからなるシーケンスの各セクタにおいて同一のセグメントが選択されるため、異なるセクタの同一のセグメント間の時間間隔は、同一のセクタからなるシーケンス内では等しい。
【００３８】
上記に開示した実施形態と組み合わせ可能な一実施形態によると、一次オーディオ信号は、仮想の燃焼機関の音が図３に示すような例えば５００Ｈｚまでの所定の周波数範囲内で表されるように生成される。これにより、当該仮想の燃焼機関のエンジン次数を一次オーディオ信号の周波数に割り振ることができる。
【００３９】
上記に開示した実施形態と組み合わせ可能なさらなる実施形態によると、選択、増幅、およびクリッピングされる一次オーディオ信号の各セグメントの境界は、時間領域における一次オーディオ信号のゼロ交差である。
【００４０】
上記に開示した実施形態と組み合わせ可能なさらなる実施形態によると、増幅およびクリッピングされる一次オーディオ信号の各セグメントは、当該セグメントが最高振幅または２つの最高振幅を有する信号の部分を含むように選択される。これは、この部分が、一次オーディオ信号によって表される仮想の燃焼機関の第１次のエンジン次数によって基本的に支配されているからである。
【００４１】
上記に開示した実施形態と組み合わせ可能なさらなる実施形態によると、増幅およびクリッピングされる一次オーディオ信号の各セグメントは、当該セグメントが２つの最高振幅よりも低い振幅を有する信号の部分を含むように選択される。これは、この部分が、一次オーディオ信号によって表される仮想の燃焼機関の第１次のエンジン次数ではなく、他のエンジン次数によって支配されているからである。
【００４２】
高調波のスペクトル分布も、「クリッピングされた」信号セクションへの漸進的な信号移行部に影響され得る。例えば、図５に示すように、制御信号４１がセクション境界において角を有さずに湾曲するように「クリッピング」された領域の境界において利得係数を減少させてもよく、このことによって、より高周波数のより上位の高調波の構成比が低減する。
【００４３】
増幅された信号セグメントを有するオーディオ信号の生成は、前述のように、種々の方法で行われ得る。好適な実施形態においては、制御装置２１が、一次オーディオ信号を算出するように構成されたソフトウェア処理装置（図示せず）を有する。そして、生成される音響パターンに適したあるセグメントが上記のように増幅される。つまり、選択されたセグメントにおける値が大部分においてこの領域における一次オーディオ信号の元の値よりも大きい修正後信号が算出される。例えば、ソフトウェア処理装置の実施形態においては、一次オーディオ信号のすべての値に一定値が乗算され得、乗算後の各値が、最大振幅値である所定の制限値と比較され、制限値よりも大きい場合は制限値に設定される。当然ながら、この算出方法は、信号値の絶対値を扱い、その符号は無視する。
【００４４】
制御ユニットの別の実施形態は、一定のまたは制御可能な出力信号制限をする電子増幅装置（図示せず）を含み、この増幅装置の利得係数は、ある信号セグメントのみが増幅されるようにタイミングを合わせられ得る。利得係数の制御は、クランクシャフト位置のようなエンジン特性の関数として行われ得る。
【００４５】
制御ユニットのさらなる実施形態は、前述のように、一次制御信号の異なるセグメントを増幅するように構成されるが、セグメントごとに異なる利得係数の経過が用いられ得る。
【００４６】
図６の線図６０に、エンジン回転数から上記に従って生成されたオーディオ信号の周波数スペクトルの依存性を示す。図示した例において、低い回転数では、最初は７００Ｈｚ前後までの周波数のみが信号のスペクトルに貢献する。回転数が増加するにつれて、信号スペクトルは、１５００Ｈｚ前後までのより高い周波数へ広がり、よって、その回転数に対して通常自然であると考えられる「排気音」を発生させる。
【００４７】
ここまでは本発明を内燃機関の排気音の修正に関して説明してきた。しかしながら、電気モータでの動作時または減筒時の車両のために人工的な排気音を生成するために本発明を前述のように用いることも可能である。
【００４８】
説明した発明をアクティブ消音システムと一体に実現することも可能である。排気音を設定できるこのような消音システム７０を図７の概略図に示す。図示したシステムは、内燃機関１５の排気配管９内に、排気ガスの後処理のためのモジュール１７と、消音システム７０とを有する。この図とは異なって、消音システム７０をエンジン１５と排気ガス後処理モジュール１７との間に配置してもよい。
【００４９】
図２の音生成システム１とは対照的に、消音システム７０は、変換器１１によって放出された音波の入力領域の下流における音圧をこれに対応する電気計測信号に変換する別の電気音響変換器１３を有する。この計測信号は、エンジン１５における燃焼過程で発生した音波パルス列と変換器１１によって排気配管９に導入された音波との相殺的重畳の結果としての残留音を表す。
【００５０】
計測信号は、消音制御装置７１へ送られ、制御装置７１がこれに基づいて制御信号を生成し、制御信号は、下流に接続された増幅装置７３によって増幅され、音生成用の電磁変換器１１へ電気入力信号として供給される。制御装置７１および増幅装置７３は制御ユニット７４の一部である。
【００５１】
制御信号は、基本的には、正規化された計測信号とオーディオ信号との差の実効値が最小になるかまたは所定の値に適合されるように、消音制御装置７１によって生成される。正規化された計測信号とは、ここでは、振幅値または実効値が一次オーディオ信号から生成されたオーディオ信号のものに適合された計測信号のことである。本システムにおける一次オーディオ信号は、エンジンで発生する音波パルス列のアクティブ消音に役立つ対抗音成分と、所望の排気音の、まだ高調波を含んでいない音響パターンの主成分となる人工的成分とを有する。
【００５２】
制御ユニットは、よくあるように、互いに独立して動作するいくつかの制御サブユニットを有していてもよく、そのそれぞれが、通常はエンジン次数に対応付けられる部分的な周波数領域に制限された制御信号の一成分を生成する。排気音の有効な修正を可能にするためには、内燃機関のある定常動作状態に対する制御信号を生成するのに用いられる制御関数のパラメータを予め決定しておき、消音制御装置７１に現在の各エンジン動作特性に従ってパラメータを選択させるのが普通である。一実施形態によると、一次オーディオ信号を一組の、それぞれが１つのエンジン次数と対応する一次オーディオサブ信号から生成するために制御サブユニットが用いられる場合、増幅およびクリッピングは、該当するエンジン次数に関連した一次オーディオサブ信号に対してのみ行われ、したがって、一次オーディオサブ信号を合成して一次オーディオ信号を形成する前に行われる。
【００５３】
説明した発明により、所定のレベルの、かつ、自然な印象を与えるためのより高周波数の高調波含有率を有する所定の音響パターンの排気音を簡単に実現することができる。
【００５４】
本発明を、ある代表的な実施形態に関して説明したが、当業者にとっては多くの代替、修正および変形が明らかであることは明白である。したがって、本明細書中に記載の本発明の代表的な実施形態は、例示的なものであり、いかなる点においても限定的なものではない。以下の特許請求項によって定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得る。
【符号の説明】
【００５５】
１    音生成システム
３    上部シェル
５    下部シェル
４    音生成器筐体
９    排気配管
１１  電気音響変換器
１３  電気音響変換器
１５  内燃機関
１７  排気ガス後処理モジュール
１８  マフラー
１９  エンジン制御ユニット
２１  制御装置
２３  増幅装置
２４  制御ユニット
２５  膜
７０  消音システム
７１  消音制御装置
７３  増幅装置
７４  制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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