(57)【要約】【課題】本発明は、自動車室内の音をシミュレートする車室内音シミュレート装置およびその車室内音シミュレート装置に好適な次数成分除去フィルタに関し、小さい回路規模かつ少ない演算数で、ランダム成分と次数成分を十分な分解能で分解する。【解決手段】音信号を制御信号に応じた遅延量だけ遅延する可変遅延部３１と、可変遅延部により遅延される前の音信号から可変遅延部３１で遅延された後の音信号を減算する信号減算部３２と、回転体の回転速度に基づいて、可変遅延部３１の遅延量を、回転体の回転に起因する次数成分が除去されたランダム成分が得られる遅延量に制御する制御信号を生成して可変遅延部３１に伝達する遅延制御部３３とを有する次数成分除去フィルタ３００を備えた。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車室内の音のピックアップして音信号を得るとともに、該音をピックアップした時点における、該音の発生に寄与する回転体の回転速度を含む該自動車の走行状態をピックアップし、該音をピックアップして得た音信号をランダム成分と前記回転体の回転速度に応じた次数成分とに分離し、音の再生にあたり、前記次数成分に基づいて前記回転体の所望の回転速度に応じた次数成分を生成し、生成された次数成分と、前記ランダム成分に基づいて得られるランダム成分とを合成して出力する車室内音シミュレート装置において、
前記音信号を制御信号に応じた遅延量だけ遅延する可変遅延部と、該可変遅延部により遅延される前の音信号から該可変遅延部で遅延された後の音信号を減算する信号減算部と、前記回転体の回転速度に基づいて、前記可変遅延部の遅延量を、前記信号減算部で前記回転体の回転に起因する次数成分が除去されたランダム成分が得られる遅延量に制御する制御信号を生成して前記可変遅延部に伝達する遅延制御部とを有する次数成分除去フィルタを備えたことを特徴とする車室内音シミュレート装置。
【請求項２】
所定の回転体の回転速度に応じた次数成分と該回転速度とは独立のランダム成分とを含む信号を入力して、該次数成分を除去することにより該ランダム成分を抽出する次数成分除去フィルタにおいて、
前記信号を、制御信号に応じた遅延量だけ遅延する可変遅延部と、該可変遅延部により遅延される前の信号から該可変遅延部で遅延された後の信号を減算する信号減算部と、前記回転体の回転速度に基づいて、前記可変遅延部の遅延量を、前記信号減算部で前記回転体の回転に起因する次数成分が除去された信号が得られる遅延量に制御する制御信号を生成して前記可変遅延部に伝達する遅延制御部とを備えたことを特徴とする次数成分除去フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車室内の音をシミュレートする車室内音シミュレート装置およびその車室内音シミュレート装置に好適な次数成分除去フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車室内音の低減化が問題となっており、その車室内音を能動的に低減化することが試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
自動車の車室内音が低減化されたかどうかを評価するためには、自動車の車室内の音を走行状態に応じて再現又はシミュレートする必要がある。このような要請から、自動車の車室内音の評価方法の一つとして、室内の音を車の走行状態に応じて再現又はシミュレートする方法が、重要な手法となってきている。
【０００４】
この時の音の再現方法の一つとして、音の成分を、エンジンの回転等の回転速度に比例した次数成分とそれ以外のランダム音とに分離し、車のおかれた、それぞれの状況に応じ、各々の成分音を合成して、実際の走行状況に近い音を再現する方法がある。次数成分の音が支配的であるが、ランダム音も音をリアルに再現するために必要な成分である。この方法に於いては、次数成分とランダム成分とを分離し、音を個々に分析加工した後、合成、再現する方法が一つの重要な手法となっている。
【０００５】
分離の方法として、従来は、音にＦＦＴ等の演算を施し、周波数軸上で次数成分を除去加工し、逆ＦＦＴ演算により、残った次数成分以外の音をランダム成分の音として取り出す手法が主たる方法である。
【０００６】
しかし、信号のデータを固定周波数でサンプルした時、基本次数が低い周波数から高い周波数へと（１０倍程度）変わる場合は、ＦＦＴの周波数分解能を低い周波数に合わせる必要がある。この時、分解能を低い周波数に合わせると、分析の信号の長さを長く取る必要が出てくる。又高い周波数に合わせると低い方の周波数の除去が分解能の不足によって、正しく出来ないという問題がある。
【０００７】
一方、上記問題を回避する方法として、信号を所定の回転角度毎にサンプルし、ＦＦＴで演算した場合は、ＦＦＴの分解能は必要最低限を選択できる。しかし、このように回転角度を基準としてサンプルすると、扱う周波数の上限が回転速度によって限定される。たとえば自動車のエンジン回転は、低回転１０００ｒｐｍから高回転７０００ｒｐｍと適応回転範囲が広い。ＦＦＴ演算の分解能とサンプル上限周波数が災いして、高い回転では、２０ｋＨｚ程度の音までサンプル対応できるが、低い回転の場合は上限周波数範囲が下がって、音の高い成分がカットオフされてしまうという問題がある。
【０００８】
上記問題を回避する方法、つまり次数成分を回転の変化に追従して除去する方法としては、各次数成分に対応してノッチフィルタを用意し、次数成分毎に成分除去を行うか、フィルタを必要数準備し、同時に複数の次数成分を除去する方法がある。しかし同時に行うとコスト的に、もしくは、演算回路の規模から考えても不利であり、更に効率の良い方法が求められている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−３３３８８３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑み、小さい回路規模かつ少ない演算数で、ランダム成分と次数成分を十分な分解能で分解する機能を備えた車室内音シミュレート装置、およびその車室内音シミュレート装置に好適な次数成分除去フィルタを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の車室内音シミュレート装置は、自動車室内の音のピックアップして音信号を得るとともに、その音をピックアップした時点における、その音の発生に寄与する回転体の回転速度を含むその自動車の走行状態をピックアップし、その音をピックアップして得た音信号をランダム成分と上記回転体の回転速度に応じた次数成分とに分離し、音の再生にあたり、上記次数成分に基づいて上記回転体の所望の回転速度に応じた次数成分を生成し、その生成された次数成分と、上記ランダム成分に基づいて得られるランダム成分とを合成して出力する車室内音シミュレート装置において、
上記音信号を制御信号に応じた遅延量だけ遅延する可変遅延部と、その可変遅延部により遅延される前の音信号からその可変遅延部で遅延された後の音信号を減算する信号減算部と、上記回転体の回転速度に基づいて、可変遅延部の遅延量を、信号減算部で上記回転体の回転に起因する次数成分が除去されたランダム成分が得られる遅延量に制御する制御信号を生成して可変遅延部に伝達する遅延制御部とを有する次数成分除去フィルタを備えたことを特徴とする。
【００１２】
ここで、「上記次数成分（回転体の回転速度に応じた次数成分）に基づいて、上記回転体の所望の回転速度に応じた次数成分を生成し」は、音をピックアップして音信号を得た時点における回転体の回転速度に応じた次数成分をそのままその回転体の所望の回転速度に応じた次数成分に変換してもよく、あるいは所望の回転速度に応じた次数成分への変換前あるいは変換後において次数成分に加工を加えてもよいことを意味している。
【００１３】
また、「上記ランダム成分（自動車室内の音をピックアップして得た音信号中のランダム成分）に基づいて得られるランダム成分」は、その音信号から抽出したままのランダム成分であってもよく、その抽出したランダム成分に加工を加えた後のランダム成分であってもよいことを意味している。
【００１４】
本発明の車室内音シミュレート装置は、上記回転体の、ある回転速度での車室内の音をピックアップした音信号に基づいて、その音をピックアップしたときの回転体の回転速度と同一あるいは異なる所望の回転速度での音を作り出すことができ、例えば複数の回転速度それぞれでピックアップして得た音信号に基づいてそれら複数の回転速度の間をつなぐことにより、例えばエンジンの回転数が徐々に上昇しているときの音を作り出すことができる。また、次数成分あるいはランダム成分を任意に加工して加工後の音をシミュレートすることもできる。
【００１５】
ここで、上記本発明の車室内音シミュレート装置は、上記の次数成分除去フィルタを備えたものであるため、従来と比べ小さい回路規模あるいは速い演算速度で、音信号を高精度にランダム成分と次数成分に分離することができる。
【００１６】
また、上記目的を達成する本発明の次数成分除去フィルタは、所定の回転体の回転速度に応じた次数成分とその回転体の回転速度とは独立のランダム成分とを含む信号を入力して、次数成分を除去することによりランダム成分を抽出する次数成分除去フィルタにおいて、
上記信号を、制御信号に応じた遅延量だけ遅延する可変遅延部と、その可変遅延部により遅延される前の信号からその可変遅延部で遅延された後の信号を減算する信号減算部と、上記回転体の回転速度に基づいて、可変遅延部の遅延量を、信号減算部で上記回転体の回転に起因する次数成分が除去された信号が得られる遅延量に制御する制御信号を生成して可変遅延部に伝達する遅延制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の次数成分除去フィルタは、いわゆる櫛形のフィルタの一種である。櫛形フィルタは整数倍の高次成分を同時に除去することがが可能である。しかし従来の使用法による櫛形フィルタはサンプル周期の整数倍であったため、除去可能な周波数成分は、定まった基本波と整数倍の周波数の除去になってしまっている。本発明は、回転速度から求めた遅延量だけ信号を遅延し、遅延前の信号から遅延後の信号を減算することでフィルタを実現し、少ない演算で基本波及びその整数倍の高次成分を一括して除去し、ランダム成分を取り出すことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の車室内音シミュレート装置の一実施形態を示すブロック図である。
【００２０】
自動車の室内の音がセンサ１０でピックアップされてアナログの音信号Ｓが生成され、Ａ／Ｄ変換器２０でディジタルの音信号に変換される。
【００２１】
また、センサ１１，１２により、この自動車のエンジンやそのエンジンからの動力を伝達する部材等の回転体の回転速度Ｒと、この自動車の走行速度Ｔがそれぞれピックアップされる。
【００２２】
Ａ／Ｄ変換器２０から出力されたディジタルの音信号は、信号分離部３０により、センサ１１により回転速度がピックアップされた回転体の、その回転速度に応じた次数成分と、その回転体の回転速度とは無関係のランダム成分とに分離される。信号分離部３０で分離された音信号の次数成分やランダム成分は、センサ１０でその音信号をピックアップした時の、センサ１１，１２でピックアップされた回転速度Ｒおよび走行速度Ｔに対応づけられて信号記憶部４０に記憶される。
【００２３】
音信号を収録する段階においては、上記の音収録が回転体の複数の回転速度と自動車の複数の走行速度との各組合せごとに行なわれる。
【００２４】
信号記憶部４０に記憶された音信号（次数成分とランダム成分）は、所望のシミュレートを行なうために必要に応じて加工される。
【００２５】
音の再生に当たっては、例えば時間的に変化する走行速度信号Ｔ’と回転速度信号Ｒ’が入力され、信号記憶部４０からは、そこに記憶されている複数の音信号（次数成分とランダム成分）の中から現在入力されている走行速度信号Ｔ’と回転速度信号Ｒ’との組合せに近い１つもしくは複数の音信号（次数成分とランダム成分）が読み出され、信号変換部５０に入力される。信号変換部５０では、信号記憶部４０から読み出された音信号中の次数成分が、現在入力されている回転速度信号Ｒ’に応じた回転速度の次数成分に変換されてランダム成分と合成される。信号記憶部４０から複数の音信号が読み出されるときは、上記の合成前あるいは合成後において線形補間演算等によりそれら複数の音信号の中間的な音信号（次数成分は現在の回転速度信号Ｓ’に応じた次数成分に変換された後の音信号）が生成される。
【００２６】
信号変換部５０で得られた走行速度信号Ｔ’および回転速度信号Ｒ’に応じた音信号は、Ｄ／Ａ変換器６０でアナログの音信号に変換されて、スピーカ７０から音として空間に放出される。
【００２７】
図２は、図１の信号分離部３０を構成する次数成分除去フィルタを示すブロック図である。
【００２８】
この次数成分除去フィルタ３００は、可変遅延部３１と、信号減算部３２と、遅延制御部３３とを備えている。
【００２９】
可変遅延部３１は、Ａ／Ｄ変換器２０（図１参照）から出力されたディジタルの音信号を入力し、その音信号を、遅延制御部３３で生成された制御信号Ｃに応じた遅延量だけ遅延して出力するものである。
【００３０】
また、信号減算部３２は、可変遅延部３１で遅延される前の音信号からその可変遅延部３１で遅延された後の音信号を減算するものである。
【００３１】
また、遅延制御部３３には、センサ１１でピックアップされた回転速度Ｒが入力され、遅延制御部３３では、その回転速度Ｒに基づいて、可変遅延部３１の遅延量を、信号減算部３２で、その回転速度Ｒで回転する回転体の回転に起因する次数成分が除去されたランダム成分が得られる遅延量に制御するための制御信号Ｃが生成されて可変遅延部３１に入力される。
【００３２】
こうすることにより、この図２に示す次数成分除去フィルタ３００に入力される入力信号が（Ａ）のような周波数特性を有するものである場合、この次数成分除去フィルタ３００では、（Ｂ）の出力信号の周波数特性に見られるように、直流成分、および回転体の回転速度Ｒに起因する基本周波数およびその整数倍の高周波が一括に除去される。
【００３３】
尚、次数成分は、図１の信号分離部３０において、Ａ／Ｄ変換器２０から出力された音信号から、図２の次数成分除去フィルタ３００の信号減算部３２から出力されたランダム成分を減算することにより、抽出される。
【００３４】
次に、図２に示す次数成分除去フィルタの特性を理論的に説明する。
【００３５】
図３は、図２の次数成分除去フィルタの理論上の周波数特性を示す図である。
【００３６】
ここでは、入力をｘ（ｔ）、出力をｙ（ｔ）とし、遅延をＺ−ｎで表す。このフィルタの特性はＺ変換を用いると
Ｙ（ｚ）＝（１−Ｚ−ｎ）Ｘ（ｚ）
Ｈ（ｚ）は、
Ｈ（ｚ）＝１−Ｚ−ｎ
となり、
Ｚ−１＝ｅｘｐ（−ｊｗｎＴ）
とすると、Ｔがサンプル周期の時、ｗは２π／ｎＴの周期関数となる。
【００３７】
ｗがπ／Ｔの時、
ｈ（ｗ）＝１−ｃｏｓ（ｎｗＴ）十ｊ・ｓｉｎ（ｎｗＴ）
ゲイン特性Ｇ（ｗ）は
Ｇ（ｗ）＝ｓｑｒｔ（（１−ｃｏｓ（ｎｗＴ））２十ｓｉｎ２（ｎｗＴ））
＝ｓｑｒｔ（１＋ｃｏｓ２（ｎｗＴ）−２ｃｏｓ（ｎｗＴ）
＋ｓｉｎ２（ｎｗＴ））
＝ｓｑｒｔ（２−２ｃｏｓ（ｎｗＴ））
＝ｓｑｒｔ（２・（１−ｃｏｓ（ｎｗＴ）））
となり、ｎに逆比例して、任意の基本周波数とその高調波を除去できる。
【００３８】
Ｇ（ｗ）はｎｗＴが２πのときサンプル周波数の特性になり、π以上は周波数が折り返しになる。サンプル周波数／２に対しＤＣ＋ｎ／２本の次数成分を除去できる。
【００３９】
従って基本周波数をｆ０としたとき、ｎは、
ｎ＝（サンプル周波数）／ｆ０
サンプル周波数＝１／Ｔ
で求められる。
【００４０】
以上の理論的な考察をグラフに表わすと、図３のようになる。
【００４１】
図４は、図２に示す次数成分除去フィルタの実際の入出力信号波形の一例を示す図である。
【００４２】
図４（Ａ）は入力信号波形を示したものであり、ランダム成分と、回転体の回転速度に応じた次数成分が含まれている。
【００４３】
図４（Ｂ）は、図２の次数成分除去フィルタの出力信号を示したものであり、次数成分が除去された信号が得られている。
【００４４】
次に、従来技術との比較結果について説明する。ここでは、次数成分除去の方式として本発明方式の他に下記の（１）〜（３）の３通りを考え、比較した。
【００４５】
（１）サンプル周波数固定のＦＦＴ方式の場合
（２）サンプル周波数可変のＦＦＴ方式の場合
（３）ノッチフィルタの組み合せた場合
（４）本発明方式を用いた場合
表１は、その比較結果を示す。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
ここでは、自動車の車室内音に適用した時の場合を考え、演算負荷、メモリ容量、及び応答性について比較を行う。車室内騒音にもっとも大きく影響するエンジン回転速度範囲は一般的に６００ｒｐｍから６０００ｒｐｍである。よって次数成分の除去は、基本周波数範囲が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ間で基本波とその高調波を除く事である。この条件で比較を行なう。
【００４８】
（１）信号を固定周波数で行いＦＦＴ演算する場合
一般的にＦＦＴで周波数分析を行う場合は、ハニングウインドウが使用される。この場合、除去したい周波数がＦＦＴ周波数分析ライン上の場合でも、両サイドのラインにセンターのラインの１／２の大きさのスペクトル信号が表れる。従って次数スペクトル間は最低でも周波数分解能の５倍以上が必要である。つまり除去すべき周波数の基本周波数の周期の５倍以上のデータの長さが分離、除去するために必要になる。
【００４９】
下限の周波数は１０Ｈｚなので、必要なＦＦＴの分解能は１０Ｈｚ／５＝２Ｈｚ（データ長は５００ｍＳ）となる。ＦＦＴ分析結果は５００ｍｓの平均のスペクトルとみなせるので応答は２Ｈｚと考える。
【００５０】
又周波数の上限は、取扱い信号を可聴周波数とし、１０ｋＨｚまでとした時、エリアジング防止を考慮したＦＦＴアナライザ等では一般的にサンプル周波数は１０ｋＨｚ×２．５６＝２５．６ｋＨｚとなる。必要な周波数分解能２Ｈｚとサンプル周波数２５．６ｋＨｚとにより必要なＦＦＴ演算のデータ点数ｎは、
２Ｈｚ×２ｎ＞２５．６ｋＨｚから
ｎ≧１４　　となり、
ＦＦＴの演算点数は２１４＝１６３８４ポイント以上が必要である。
【００５１】
ＦＦＴ演算における四則演算数は、１６３８４点の場合、時間軸に戻し、音を発生させるので次数除去の為にＦＦＴを実施し、周波数軸上で次数成分を除去し、その後、周波数軸のデータを時間軸に戻すため、逆ＦＦＴ演算を行う。従って１６３８４／２×（１４＋１４）×２回のバタフライ演算が必要となる。上式の最後の×２は、ハニングウインドウをデータに乗じた時点でデータのはじめと終わりにデータが０になる事に対するハニングウインドウの影響を除去するためである。
【００５２】
ここで、バタフライ演算の四則演算数は、１回のバタフライ演算につき乗算４回、和差４回とすると、１点あたり２８×４乗算、２８×４和差となる。又必要なメモリ数は１６３８４リアル、イマジナリのデータメモリが必要なので３２７６８メモリとなる。
【００５３】
（２）サンプル周波数可変のＦＦＴ方式の場合
回転に合わせサンプルを可変にして（いわゆるトラッキングと言われる方法）でデータサンプルして１０２４点のＦＦＴを実施した場合、演算負荷に関して、ＦＦＴの演算の基本であるバタフライ演算は、
ＦＦＴ　　　　　１０２４／２×１０バタフライ
ＩＮＶＦＦＴ　　１０２４／２×１０バタフライ
ハニング時５０％のオーバーラップが必要なので　×２
１０２４点に対して１０２４／２×（（１０十１０）×２）
１点につき２０バタフライ演算が必要
１バタフライにつき掛算４回、和差４回が必要なので
（８０の乗算と８０の和差）／データ
出力される信号の計算のサイクルは２Ｈｚ〜２０Ｈｚとなる。
【００５４】
必要なメモリ数は、１０２４（リアルパート）＋１０２４（イマジナリパート用）＝２０４８メモリとなる。
【００５５】
但しサンプルを可変にするため、実施にあたり、上記条件の場合では１回転に１０２４／５　サンプルのためのパルスの発生回路と、折り返し防止のために、回転に応じてカットオフ特性が変わるフィルタが必要となる。
【００５６】
（３）ノッチフィルタの組み合せの場合
デジタルのノッチフィルタ１構成につき、メモリ３、掛算３、和２となる。基本周波数が１００Ｈｚの時、１０ｋＨｚまで除去する場合１００の次数除去になり、メモリ３００、掛算３００、和２００となる。基本周波数が低い時は、更に増加する。基本周波数の応答１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、他のノッチフィルタはその除去周波数と考えられる。
【００５７】
（４）ＦＩＲフィルタを利用して補間を実施した場合
本発明方式では、基本周波数の周期で信号の除去を逐次行なっていくので、ＦＦＴ方式に比べ、上記条件で実施した場合は、最低でも５倍良好な応答性が得られる。
【００５８】
又、サンプルに含まれる全ての高調波を除去可能となる。１点につき２０ステップのＦＩＲ処理と引き算、１点につき２０の乗算と２０の和差及び１回の差を行なう。応答性は、基本周波数の周期だけ信号を遅延させた信号間の差の演算なので、回転速度に比例し１０Ｈｚ〜１００Ｈｚとなる。
【００５９】
また、データメモリは遅延分２５．６ｋＨｚサンプルで１０Ｈｚの周期の遅延を実現する点数が必要なので、２５６００÷１０＝２５６０ポイント分のデータメモリが必要となる。
【００６０】
本発明の方式は、データメモリ関しては、他の方式と比べ優位性はないが、表１に有るように演算数が少ないのが大きな特徴である。２つのＦＦＴの方式に比べて応答も性もよい。ノッチフィルタの組み合せも、応答性がよく、メモリが少ないが、本方式と比べると、１データあたりの演算点数が多くなり、ノッチフィルタ毎に係数を管理するため、操作が煩雑になり、補間にＦＩＲのフィルタを利用する方法を用いると、本方式の方が非常に容易に構成しやすい。
【００６１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば小さい回路規模かつ少ない演算数で、信号をランダム成分と次数成分に十分に分解能で分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車室内音シミュレート装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の信号分離部を構成する次数成分除去フィルタを示すブロック図である。
【図３】図２の次数成分除去フィルタの理論上の周波数特性を示す図である。
【図４】図２に示す次数成分除去フィルタの実際の入出力信号波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２　　センサ
２０　　Ａ／Ｄ変換器
３０　　信号分離部
３１　　可変遅延部
３２　　信号減算部
３３　　遅延制御部
４０　　信号記憶部
５０　　信号変換部
６０　　Ｄ／Ａ変換器
７０　　スピーカ
３００　　次数成分除去フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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