立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]機械学習を活用した個々人に快適な振動騒音環境を提供する能動型制御技術の構築
On the acvibe noise and vibration control using biological signals
2191021研究代表者

富山県立大学大学院
機械システム工学科准教授

寺島

修て複合的に調べました。本報では，その一環と[研 究 の 目 的]して行ったシートと着座者の振動加速度の計測
本研究の目的は個々人に快適な振動騒音環境とそれを用いたモード解析の結果，および，振動の有無による着座者が受けるストレスの差異を提供するための技術の構築です。
ロボットや人工知能の普及により機械と人がについて調べた結果を報告します。

共生しなければならず，そのためには機械が人実験車両には 2008 年式の直列 4 気筒，2,000に迷惑をかけないことが必要です。しかし，残cc エンジンを搭載した車両を使用しました。

念ながら機械は動作する際に必ず振動と騒音をこの車両のエンジンは 3 か所で車体に接続され発生します。

エンジンが支持されており，エンジンで発生し技術が大きく進歩した昨今でもこの振動と騒た振動がこの支持部から車体に伝達し，シート音をゼロにすることは不可能です。また，近年振動が発生します。本研究ではこの車両の助手

では機械の軽量化・高速化・多モード化のため，席のシート振動に着目して研究を行いました。

従来に比べ振動と騒音の発生量が増加または振図 1 に示すように助手席のシートをシート動と騒音が人にとってより耳障りとなっていまレールの最後方位置に固定し，シートのリクラす。

イニングも固定してこれを標準状態として計測

このような背景から，機械が発生する振動騒を行いました。エンジン回転数を極力固定して音をその身近にいる人にとってより最適なもの

計測を行うため，アイドル時のシート振動を計とする制御技術を構築し，人間と機械の調和を測対象とし，アイドル時のエンジン回転数は約目指します。
本報告では，その一例として，自動車のシート振動に曝された被験者の振動の様子とストレス影響について調べた結果などについて報告します。
[研 究 の 方 法]
振動と人の関係について詳細に調べるため，自動車のシートと着座者の振動，そしてその振動により着座者が受けるストレスの関係につい― 1 ―図1

着座者の写真立石科学技術振興財団

720 rpm で，エンジン始動時や冷却液の温度上助成研究成果集(第29号) 2020

数はハニング窓としました。

昇時に見られるエンジン回転数の一次的な上昇

着座者のストレスの計測と解析は生体信号の時に計測を行うことを防ぐため，非接触式のエ取得により行いました。生体信号は着座者の脳ンジン回転数計 (小野測器社 HT-6200) の受

波 と し，生 体 信 号 計 測 装 置 (ミ ユ キ 技 研 社

感部 (小野測器社 OM-1200) をエンジンのイPolymate Mini) と付属ソフトウェアにより計グニッションコイル付近に設置してエンジン回測しました。計測時のサンプリング周波数は 1

転数情報をモニタリングしながら計測を行いまkHz としました。脳波の計測では着座者の瞬した。

きの影響を排除するため，電極を Oz(8) の位

シート振動の計測は 3 軸振動加速度センサ

置と耳朶に貼り，耳朶の信号を参照信号として(PCB 社 356A43，重さ 4.2 g) を使用して行い閉眼状態で脳波の計測を行いました。脳波の計ました。シートと車体の 4 か所の接続位置のう測はエンジン停止時 (非アイドル時) とエンジ

ち，左前方の接続位置 (締結ボルト) の振動加ン始動時 (アイドル時) でそれぞれ 5 分間ずつ速度を基準信号，すなわち振動の入力位置とし，行い，脳波の差異からストレスの計測を行いまシート座面 11 カ所，シート背面 11 カ所で振動した。計測に際しては，基準位置の振動加速度加速度と基準信号の 2 点同時計測を行いました。の計測も同時に行い，脳波の計測結果への振動センサの出力信号の取得にはデータロガー

加速度の影響の有無を確認しながら計測しまし(Keyence 社 NR-500, CA04) を使用しました。

た。脳波の解析は計測結果からパワースペクト

計測時のサンプリング周波数は 100 kHz，計測

ル密度 (PSD) を求め，8-12 Hz の周波数帯域時間は 10 s としました。

(α 波) の PSD の変化を調べました。PSD を求

着座者の振動加速度の計測はシート振動と同める際の窓関数は長方形，窓サイズは 1,024 点，様に 3 軸振動加速度センサを使用して行いましオーバーラップは 80% とし，5 分間の計測でた。着座者は成人男性 (身長 163 cm, 体重 55

得られたデータを用いて PSD を求めました。

kg) とし，両足各 2 カ所および腹部 2 カ所，胸部 2 カ所，首 1 カ所，額 1 カ所の 10 カ所で[研 究 の 結 果]

振動加速度と基準信号の同時計測を行いました。
計測時のサンプリング周波数は 100 kHz とし，

図 2 に基準信号と座面中央の振動加速度の周サンプリング時間は 10 s としました。なお，

波数応答関数を示します。図 2 の横軸は周波数，以降に示す生体信号の計測も含め，これらの実縦軸は振動加速度を表している。図 2 に示すよ験は人を対象とする実験となるため，富山県立

うに，シート座面には概ね 12, 18, 24, 48 Hz の大学「人を対象とする研究」倫理審査部会にて振動加速度が特に強く発生していることが分か審査・実施承認を得るとともに，被験者と実験ります。このうち，24 Hz の振動加速度は 4 気内容に関して同意した上で実験を行いました。
シート，および，着座者の振動のモード解析は実稼働・モード解析ソフトウェア (VibrantTechnology 社 MEʼ scope VES) を使用して行いました。基準信号と各計測位置の計測結果から振動加速度の周波数応答関数を求め，その利得および位相の情報から各周波数の振動の様子を三次元表示しました。周波数応答関数は 10 s分の計測データから算出しました。また，窓関

図2― 2 ―

基準信号と座面中央の振動加速度の周波数応答関数

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助成研究成果集(第29号) 2020

右足で位相が異なる上下方向の振動が発生していることが明らかとなりました。また，この周波数の振動は首，頭部，胸部でも発生しており，頭部が前方に変位する際は首と胴体が後方に変位し，頭部が後方に変位する際は逆に首と胴体が後方に変位しました。これより，頭部はシートの前後方向に首・胴体に対して逆位相で振動しているといえます。
図3シートに発生する振動の様子 (24.6 Hz)

図 5 に着座者に発生する 24.1 Hz の振動を三筒エンジンに起因する振動のうち最も振動加速次元表示したものを示します。図 3 と同様に図度が大きくなるエンジン回転数の 2 次成分の周の 色 は 振 動 加 速 度 の 大 き さ を 表 し，(b) は波数に対応するものです。本報ではこの周波数(a) に対して位相が 180 度ずれた時刻の振動のの振動に着目して考察します。

様子を表しています。この周波数の振動加速度

図 3 に応答が最も大きくなる 24.6 Hz の振動

は着座者の膝付近に強く発生しており，左膝がを三次元表示したものを示します。図の色は振上方向に変位する際は右膝も上方向，左膝が下動加速度の大きさを表しており，赤，青，緑の方向に変位する際は右膝も下方向に変位し，両順に小さくなります。また，(b) は (a) に対膝は上下方向に同位相で振動していることが明

して位相が 180 度ずれた時刻の振動の様子を表らかとなりました。太ももで生じている振動はしています。図に示すように，24.6 Hz の振動

シート座面から伝達し，膝付近で生じている振加速度はシートの座面と背もたれが重なり合う動は足底を介してフロア面から伝達したため，方向に振動していることが明らかとなりました。

太もも付近と膝付近で振動特性が異なったもの

着座者に生じる振動加速度について，同様にと考えられます。これは，図 3 に示したシート

24 Hz の振動加速度に着目して考察します。

座面の振動がシート座面の左側と右側で大きさ

図 4 に着座者に発生する 23.7 Hz の振動を三や位相が異なっている点からも推察できます。

次元表示したものを示します。図 3 と同様に図

図 6 に計測した脳波の時系列信号を示します。の 色 は 振 動 加 速 度 の 大 き さ を 表 し，(b) は横軸は時間，縦軸は計測器の出力電圧を表して(a) に対して位相が 180 度ずれた時刻の振動のいます。図 6 より，非アイドル時とアイドル時様子を表しています。着座者の両足の太もも付の信号の比較から，非アイドル時はアイドル時

近では，左足が上方向に変位する際は右足が下に比べて振幅がやや大きくなっており，信号の方向に変位し，左足が下方向に変位する際は右標準偏差値は非アイドル時が 8.6 mV，アイド足が上方向に変位しました。これより，左足とル時が 8.2 mV となりました。また，眼球の運動・移動などによる信号ノイズはみられません

図4

着座者に発生する振動の様子 (23.7 Hz)

図5― 3 ―

着座者に発生する振動の様子 (24.1 Hz)立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020に感じる振動のスペクトル形状を特定できることがわかりました。一方で，快に感じる振動の特定はこの手法では行えておりません。このため，現状では個々人に快適な振動騒音環境を提供するため，その人にとって不快な現象の除去にこの手法を用いることができると考えられます。
今後はさらに研究を進め，より直接的に人が好む振動騒音環境を制御するための技術の構築
図6を目指します。上記の「不快の除去」は直接的計測した脳波の時系列信号に人に快適な振動騒音環境をもたらすものではないためです。この目的のためには生体信号の種類・解析方法の高度化が必須となりますため，引き続きご支援を賜れれば幸いです。
[今後の研究の方向，課題]
今後はこの多くの被験者，事象を対象に同様の計測と解析を行い，併せて生体計測・信号処理技術を高度化することで，研究の目的である
図7

脳波の時系列信号から求めた PSD

個々人に快適な振動騒音環境を提供する能動型でした。

制御技術の構築を目指します。

図 7 に図 6 に示した脳波の時系列信号から求めた PSD を示します。横軸は周波数，縦軸はPSD を表しています。図 7 より，非アイドル時とアイドル時では α 波の周波数帯域に大きな差異がみられ，アイドル時には α 波の大きさが低下し，非アイドル時の 0.75 倍程度となりました。これより，アイドル時にはリラックス感・安静感が少ない，ストレスが高まった状態にあるといえます。また，主にこの差異により図 6 にみられた標準偏差値の差異が生じたものと考えられます。なお，β 波 (13-30 Hz) に[成果の発表，論文等]
On the active vibration control of the vibratingobjectiveby means of a PVDF actuator, Advanced experimental mechanics, Vol. 5 (2020), in Press.
Development of the Broad Band Frequency-tunable
Dynamic Absorber Using Magneto-Rheological
Elastomer for the Noise and Vibration Reduction in
Mechanical Systems, Advanced experimental mechanics, Vol. 5 (2020), in Press.
移動車両のシート振動が乗員に及ぼすストレス影響，
日本機械学会 北陸信越支部 第 57 期総会・講演会
講演論文集 (2020)．

ついては，非アイドル時とアイドル時でその比磁気応答性材料を用いた機械の転動音の能動的制御手率が 1.03 程度となり，大きな変化はみられま法の検討，日本機械学会 北陸信越支部 第 57 期総せんでした。

会・講演会 講演論文集 (2020)．

ここまでで得られた生体信号と騒音・振動の状況に関する多くの測定データを基に，次いで[謝辞]

本研究の遂行に際し，本学学生の澤田真宏氏，森崎機械学習を行い，不快をもたらす騒音・振動信稜磨氏に協力を仰ぎました。ここに記して謝意を表し号の特徴の特定を行いました。その結果，不快ます。

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