JP2007223401A - Actuator optimally-arranging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車室内の騒音に対してアクチュエータから制御振動を発生させて車室内の騒音を低減させる能動振動制御技術に係り、特にアクチュエータを最適な位置に配置して消費電力を低減させるアクチュエータ最適配置装置に関する。 The present invention relates to an active vibration control technology for reducing noise in a vehicle interior by generating a control vibration from the actuator with respect to the noise in the vehicle interior. In particular, the actuator is optimally arranged to reduce power consumption by arranging the actuator at an optimal position. The present invention relates to a placement device.
走行中の自動車は、エンジンやサスペンションなどの振動が車体パネルに伝播し、車体パネルが振動することで車室内に騒音が発生する。車室内騒音は乗員の快適性に大きな影響を与えるため、従来から車室内騒音を低減するための様々な技術が開発されてきた。 In a running vehicle, vibrations from the engine, suspension, etc. propagate to the vehicle body panel, and the vehicle body panel vibrates, generating noise in the vehicle interior. Since vehicle interior noise has a great influence on passenger comfort, various techniques for reducing vehicle interior noise have been developed.
このような車室内の騒音を低減させる技術としては、吸音材や防音材を車体に付加することで車室内への騒音の進入を低減するパッシブな方法と、車体に別の振動源を設置して目的とする騒音をキャンセルして騒音を低減するアクティブな方法とがあった。 As a technology for reducing the noise in the passenger compartment, a passive method of reducing noise intrusion into the passenger compartment by adding a sound-absorbing material or a soundproof material to the vehicle body, and another vibration source in the vehicle body are installed. There was an active method to cancel the target noise and reduce the noise.
このうちアクティブな方法としては、車室内の騒音に対して制御振動を干渉させて車室内の騒音を低減させるAVC（Active Vibration Control）が従来から一般的であった。 As an active method, AVC (Active Vibration Control) that reduces the noise in the passenger compartment by causing the control vibration to interfere with the noise in the passenger compartment has been generally used.
そして、従来では２つの技術が広く使われており、そのうちの１つがスピーカを設置して車室内の騒音を低減させるものであり、この方法ではフィードフォワード適用コントローラが常に利用されている。 Conventionally, two technologies have been widely used, and one of them is to install a speaker to reduce the noise in the vehicle interior. In this method, a feedforward application controller is always used.
また、もう一つの方法は、車両の床などの車体パネルの振動を減らすことによって騒音を低減させるものであり、この方法ではフィードフォワードコントローラか、あるいはフィードバックコントローラが利用されており、また両方のコントローラを併用する場合もあった（特許文献１参照）。
上述した従来の技術では、車体パネルの１ヶ所あるいは複数箇所の振動を制御することによって車室内の騒音を直接低減するようにしていた。しかしながら、アクチュエータの数と位置が最適なものではなかったので、アクチュエータによる消費電力を最小にすることができずに余分な電力を消費してしまうという問題点があった。したがって、騒音を低減させるだけではなく、消費電力を低減させることもできるアクチュエータの最適な配置を決定することが大きな課題となっていた。 In the conventional technique described above, the noise in the vehicle interior is directly reduced by controlling the vibration of one or a plurality of locations of the vehicle body panel. However, since the number and position of the actuators are not optimal, there is a problem in that the power consumption by the actuators cannot be minimized and extra power is consumed. Therefore, it has been a big problem to determine an optimal arrangement of actuators that can not only reduce noise but also reduce power consumption.
上述した課題を解決するために、本発明のアクチュエータ最適配置装置は、車体パネルに設置されたアクチュエータによって車室内の騒音を抑制する能動振動制御装置におけるアクチュエータの最適な配置を決定する装置である。この装置は、車体パネルのあらゆる位置に振動を与え、この振動によって発生した騒音を検出し、制御対象とする騒音の周波数範囲における伝達関数を算出し、この伝達関数のゲインが略最大となる位置にアクチュエータを設置することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an actuator optimum arrangement device according to the present invention is a device that determines an optimum arrangement of actuators in an active vibration control device that suppresses noise in a vehicle interior by an actuator installed on a vehicle body panel. This device applies vibration to any position on the vehicle body panel, detects noise generated by this vibration, calculates a transfer function in the frequency range of the noise to be controlled, and a position where the gain of the transfer function is substantially maximum. It is characterized by installing an actuator.
本発明に係るアクチュエータ最適配置装置では、車体パネルのあらゆる位置に振動を与え、この振動によって発生した騒音を検出して制御対象とする周波数範囲における伝達関数のゲインが略最大となる位置にアクチュエータを設置するようにしたので、車室内の騒音を低減することができるとともに、アクチュエータによる消費電力を低減することができる。 In the actuator optimal arrangement device according to the present invention, vibration is applied to any position of the vehicle body panel, and noise generated by this vibration is detected, and the actuator is placed at a position where the gain of the transfer function in the frequency range to be controlled is substantially maximum. Since it is installed, the noise in the passenger compartment can be reduced and the power consumption by the actuator can be reduced.
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.
＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態に係るアクチュエータ最適配置装置の構成を示すブロック図である。本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１は、車体のフロアパネル２に振動を与えて車室内に騒音を発生させるシェーカー３と、シェーカー３によって発生された車室内の騒音を検出するマイクロフォン４と、自らが歪むことによりフロアパネル２に歪みを生成するアクチュエータ５と、アクチュエータ５の最適な配置を決定するための制御を行う制御装置６と、アクチュエータ５をフロアパネル２の最適な位置へ移動させるキャリア７と、シェーカー３を車体の横方向へ移動させるシェーカーガイドレール８と、キャリア７を車体の横方向へ移動させるキャリアガイドレール９と、シェーカーガイドレール８とキャリアガイドレール９を車体の縦方向へ移動させるガイドレール１０とを備えている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an actuator optimum arrangement device according to the present embodiment. The actuator
ここで、フロアパネル２の構造を図２及び図３に基づいて説明する。図２に示すように、フロアパネル２は３つの主要な部分に分けることができ、乗員が座るシートの下に位置する平板状のキャビンパネル２１と、燃料タンクが固定されるタンクパネル２２と、スペアタイヤ及びトランクの下に位置するスペアタイヤパネル２３とを備えている。キャビンパネル２１は、エンジンルームとタンクパネル２２の間に位置しており、スペアタイヤパネル２３は、タンクパネル２２と車体の後端の間に位置している。
Here, the structure of the
また、図３に示すように図２のフロアパネル２には、車両の進行方向に向かって縦方向に伸びる縦メンバ３１と、横方向に伸びる横メンバ３２とが配置されている。フロアパネル２は車体を軽量化するべく薄い平板状に形成されているので、フロアパネル２だけでは十分な剛性が得られない。そこで、フロアパネル２よりも剛性が高い棒状の縦メンバ３１と横メンバ３２をフロアパネル２に固定してフロアパネル２の剛性を高めている。縦メンバ３１及び横メンバ３２の厚みはフロアパネル２よりも厚く形成されており、フロアパネル２の一方の面（表面又は裏面）側のみに固定されていても、両方の面（表裏面）に固定されていても構わない。また、ここでは車体パネルの一例として車両の床であるフロアパネル２を示したが、車体のその他の部分にアクチュエータ５を設置するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the
次に、シェーカー３は、フロアパネル２の各点へ移動してフロアパネル２に振動を与え、その振動によって車室内に騒音を発生させている。このシェーカー３には加速度センサが設置されており、フロアパネル２に与えた振動の加速度αを制御装置６に出力している。なお、本実施形態では、加速度センサよりフロアパネル２に与えた振動の加速度を検出しているが、検出する物理量は、振動の速度や振動の変位量を検出してもよい。
Next, the
マイクロフォン４は、騒音を除去したいポイントに設置されており、騒音の音圧レベルＳＰＬ（Sound Pressure Level）を測定している。図１ではマイクロフォン４は１つだけ設置されているが、複数設置するようにしてもよい。 The microphone 4 is installed at a point where noise is desired to be removed, and measures the sound pressure level SPL (Sound Pressure Level) of the noise. Although only one microphone 4 is installed in FIG. 1, a plurality of microphones 4 may be installed.
アクチュエータ５は、車体のフロアパネル２の下で制御装置６の指示に基づいてキャリア７によって移動されて固定され、自らが歪むことによってフロアパネル２に歪みを生成している。これによってフロアパネル２から制御振動が生成されて車室内における外乱による振動又は騒音を相殺している。また、アクチュエータ５としては結晶に電界を加えると電界に比例した歪みが生じるピエゾ効果（圧電効果）を利用したピエゾアクチュエータ（piezo-electric actuator）を使用することができる。このピエゾアクチュエータではアクチュエータ５の両面に電界を印加することにより歪みを生成する。
The
制御装置６は、シェーカー３とマイクロフォン４からデータを収集し、アクチュエータ５の最適な配置を決定するための処理を制御している。また、制御装置６はシェーカー３とキャリア７の移動も制御している。
The control device 6 collects data from the
キャリア７は、制御装置６によって指示された位置にアクチュエータ５を移動させ、移動した位置のフロアパネル２にアクチュエータ５を固定する。
The carrier 7 moves the
次に、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１によるアクチュエータの配置決定処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。
Next, actuator placement determination processing by the actuator
ここで、図４に示すアクチュエータの配置決定処理は２つのステージに分けることができ、第１ステージはステップＳ１０１〜Ｓ１１２、第２ステージはステップ１１３〜Ｓ１１７である。 Here, the actuator arrangement determination process shown in FIG. 4 can be divided into two stages. The first stage is steps S101 to S112, and the second stage is steps 113 to S117.
第１ステージでは、フロアパネル２のあらゆるポイントにおいて伝達関数Ｇ’を算出し、算出した伝達関数Ｇ’を比較することによってアクチュエータ５の数とその配置を決定することを目的としている。この目的のために、制御装置６は異なるポイントのｘ、ｙ座標をシェーカー３へ送信し、受信したシェーカー３はガイドレール８、１０によって各ポイントへ移動する。そして、シェーカー３によってフロアパネル２に加えられた振動の加速度αと、マイクロファン４によって検出された騒音のＳＰＬとに基づいて伝達関数Ｇ’が計算される。
The purpose of the first stage is to calculate the transfer function G ′ at every point of the
総てのポイントにおけるデータが収集され、総てのポイントＰｉ（ｘｉ、ｙｉ）に対する伝達関数Ｇ’が計算されると、制御装置６はアクチュエータ５の数ｎと、その座標（ｘ、ｙ）を計算する。そして、制御装置６は計算した座標をキャリア７へ送信し、キャリア７はこれらのポイントへアクチュエータ５を移動させて固定する。総てのアクチュエータが固定されると、第１ステージは終了する。
When data at all points is collected and the transfer function G ′ for all points Pi (xi, yi) is calculated, the controller 6 determines the number n of
次に、第２ステージは、伝達関数Ｇを計算し、この伝達関数Ｇによって制御関数Ｃを算出することを目的としている。これは、アクチュエータ５への入力電圧Ｖと、このとき検出されるＳＰＬとを測定することによって伝達関数Ｇが計算され、この伝達関数Ｇを利用して制御関数Ｃを計算する。
Next, the second stage is intended to calculate a transfer function G and calculate a control function C using the transfer function G. The transfer function G is calculated by measuring the input voltage V to the
このように構成されたアクチュエータの配置決定処理を図４のフローチャートに基づいて詳しく説明する。図４に示すように、まずフロアパネル２を分割してパッチの数を決定し、測定点を設定する（Ｓ１０１）。このパッチの数とは、シェーカー３によって振動が与えられる測定点の数ｎである。この処理はフロアパネル２のサイズと要求される網目（各測定点の間の距離）に基づいて実施される。
The actuator arrangement determining process configured as described above will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. As shown in FIG. 4, first, the
ここで、フロアパネル２の分割を図５に基づいて説明する。理論的には車両の床は分布定数系であり、すなわちこのシステムは無数の点によって構成されていて、それぞれの点はサブシステムを表している。実際には、図５に示すようにフロアパネル２は限られた数の小さなパッチ５１に分割することができ、それらのパッチ５１は床全体を覆っている。そして、振動やエアーなどの各パッチ５１における特徴は、それぞれのパッチ５１において不変であり、線形で同質のものである。したがって、それぞれのパッチ５１のうちの１点の特徴を考慮すれば十分であり、その結果として図５に示すように有限の数の測定点５２をフロアパネル２の上に配置する。
Here, the division | segmentation of the
次に、カウンターｉを「１」に初期化して（Ｓ１０２）ガイドレール８、１０を使ってシェーカー３を最初の測定点Ｐｉ（ｘｉ、ｙｉ）へ移動させる（Ｓ１０３）。
Next, the counter i is initialized to “1” (S102), and the
そして、制御装置６からシェーカー３へ信号Ｓが送信され、シェーカー３はこの信号Ｓに基づいてフロアパネル２に振動を与え、車室内に騒音を発生させる（１０４）。この後、制御装置６は、シェーカー３に設置されている強度センサによって検出された振動の加速度αを収集するとともに、マイクロフォン４で検出されたＳＰＬを収集して、これらのデータに基づいて伝達関数Ｇ’を計算する（Ｓ１０５）。この伝達関数Ｇ’は伝達関数Ｇを近似して求めたものであり、その原理については後述する。
Then, a signal S is transmitted from the control device 6 to the
次に、制御装置６はカウンターｉが、ｉ＝ｎであるか否かを判断し（Ｓ１０６）、ｉ＝ｎの場合にはステップＳ１０８へ進み、ｉ＝ｎでない場合にはステップＳ１０７へ進んでカウンターｉをｉ＋１に設定してステップＳ１０３へ戻り、上述した処理を繰り返し実行する。 Next, the control device 6 determines whether or not the counter i is i = n (S106). If i = n, the process proceeds to step S108. If i = n, the process proceeds to step S107. The counter i is set to i + 1, the process returns to step S103, and the above processing is repeatedly executed.
ステップＳ１０８へ進むと、すでに総ての測定点における伝達関数Ｇ’が算出されているので、制御装置６はデータの分析を行ってアクチュエータ５の数ｍと、ｍ個のアクチュエータ５の最適な配置を決定する。
In step S108, since the transfer functions G ′ at all the measurement points have already been calculated, the control device 6 analyzes the data to determine the number m of the
そして、カウンターｊを１に初期化して（Ｓ１０９）アクチュエータ５を乗せたキャリア７を、決定した位置Ｐｊ（ｘｊ、ｙｊ）へ移動させる（Ｓ１１０）。移動が完了したら、その位置のフロアパネル２にアクチュエータ５を固定し（Ｓ１１１）、カウンターｊが、ｊ＝ｍであるか否かを判断する（Ｓ１１２）。ｊ＝ｍの場合にはステップＳ１１４へ進み、ｊ＝ｍでない場合にはステップＳ１１３へ進んでカウンターｊをｊ＋１に設定してステップＳ１１０へ戻り、上述した処理を繰り返し実行する。
Then, the counter j is initialized to 1 (S109), and the carrier 7 carrying the
ステップＳ１１４では制御装置６がフロアパネル２に固定されたアクチュエータ５に対して入力電圧Ｖを送信し、これによりアクチュエータ５が起動して歪みを生成し、車室内の騒音を低減させる。
In step S114, the control device 6 transmits the input voltage V to the
このとき、制御装置６は入力電圧Ｖとマイクロフォン４で検出されたＳＰＬとを同時に測定し（Ｓ１１５）、入力電圧ＶとＳＰＬに基づいて伝達関数Ｇを算出する（Ｓ１１６）。さらに、制御装置６は、この伝達関数Ｇに基づいてアクチュエータ５の制御に利用される制御関数Ｃを算出して本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１によるアクチュエータの配置決定処理を終了する。ただし、伝達関数Ｇと制御関数Ｃの算出方法については後述する。
At this time, the control device 6 simultaneously measures the input voltage V and the SPL detected by the microphone 4 (S115), and calculates the transfer function G based on the input voltage V and the SPL (S116). Further, the control device 6 calculates a control function C used for controlling the
このようにしてアクチュエータ５の最適な配置を決定し、制御関数Ｃを算出すると、この制御関数Ｃを使って能動振動制御装置を構成することができる。
When the optimal arrangement of the
ここで、能動振動制御装置の構成を図６に基づいて説明する。図６に示すように、能動振動制御装置６１は、車室内の騒音を検出するマイクロフォン６２と、自らが歪むことによりフロアパネルに歪みを生成するアクチュエータ６３と、車室内の騒音を抑制するための制御を行うコントローラ６４とを備えている。
Here, the configuration of the active vibration control device will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, the active
ここで、マイクロフォン６２は、車室内のノイズを測定するためのセンサであり、１つあるいは複数設置されて車室内における１ヶ所あるいはそれ以上の複数ヶ所のＳＰＬを測定している。
Here, the
アクチュエータ６３は、車体のフロアパネルに１つあるいは複数設置されており、例えばピエゾアクチュエータを使用する。
One or
コントローラ６４は、フィードバック制御を行ってアクチュエータ６３による歪みで生成されたフロアパネルの振動を十分な量に制御して車室内におけるノイズを除去しており、どのようなタイプのコントローラであってもよく、例えば一般的なＨ∞制御を実施するコントローラであってもよい。
The
＜アクチュエータの最適な配置を決定するための原理＞
ここで、上述したアクチュエータの配置決定処理により決定された位置にアクチュエータを配置したことによって、車室内の騒音が低減できるとともに消費電力も低減できる原理を以下に説明する。
<Principle for determining the optimal arrangement of actuators>
Here, the principle that the noise in the passenger compartment and the power consumption can be reduced by arranging the actuator at the position determined by the actuator placement determination process described above will be described.
図６に示した能動振動制御装置６１では、アクチュエータ６３への入力電圧Ｖと車室内のＳＰＬとの間でオープンループを構成し、伝達関数Ｇの一般的な形式を用いて、ＳＰＬは
ＳＰＬ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｖ（ｓ） （１）
によって表すことができる。この式（１）において、ｓはラプラス変換の変数である。コントローラ６４は、ループ整形による設計法（The Loop Shaping Design Procedure）を利用して計算している。
In the active
Can be represented by In this equation (1), s is a variable of Laplace transform. The
このループ型デザイン処理は、例えばＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ．ｖｏｌ．３７、ｎｏ．６、Ｊｕｎｅ １９９２、ｐｐ．７５９−７６９、“Ａ Ｌｏｏｐ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ｈ∞ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”、ｂｙ Ｄ．ＭｃＦａｒｌａｎｅ ａｎｄ Ｋ．Ｇｌｏｖｅｒに記載されている。 This loop type design process is described in, for example, IEEE Transaction on Automatic Control. vol. 37, no. 6, June 1992, pp. 759-769, “A Loop Shaping Design Procedure Usage H∞ Synthesis”, by D.C. McFarlane and K.M. It is described in Glover.
この方法では、制御関数Ｃ∞を
によって計算する。この式（２）においてＧｓはＷ１とＷ２によって重み付けされたシステムの伝達関数を表しており、型関数（Shaping Function）と呼ばれて
Ｇｓ＝Ｗ２ＧＷ１ （３）
によって表される。
Calculate by In this equation (2), Gs represents a transfer function of the system weighted by W1 and W2, and is called a shaping function Gs = W2GW1 (3)
Represented by
また、図６に示すコントローラ６４の制御関数Ｃは
Ｃ＝Ｗ１Ｃ∞Ｗ２ （４）
によって表される。
Also, the control function C of the
Represented by
関数Ｗ１とＷ２は、通常ではシステムが制御される周波数範囲を選択するためのフィルターの伝達関数である。 Functions W1 and W2 are filter transfer functions for selecting a frequency range in which the system is normally controlled.
また、ＭｓとＮｓはＧｓの正規化既約分解であり
によって表される。また、パラメータεは安定余裕であり、その値は０．２〜０．３が一般的である。 Represented by The parameter ε is a stability margin, and the value is generally 0.2 to 0.3.
ここで、コントローラ６４の制御関数がＣ∞の場合にノイズ除去と低消費電力とを両立させることができるようにアクチュエータ６３を配置することが必要である。すなわち、制御対象としている騒音の周波数範囲において伝達関数Ｇ（ｓ）が大きなゲインを提供できるようにアクチュエータ６３を配置することが必要である。
Here, when the control function of the
ここで、ＳＰＬについて
ＳＰＬ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｖ（ｓ） （６）
という式を用いると、
ＳＰＬ（ｓ）＝Γ（ｓ）Λ（ｓ）Ｖ（ｓ） （７）
という式も可能となる。
Here, about SPL: SPL (s) = G (s) V (s) (6)
Using the expression
SPL (s) = Γ (s) Λ (s) V (s) (7)
The following formula is also possible.
ただし、この式（７）において
Ａ（ｓ）＝Λ（ｓ）Ｖ（ｓ） （８）
となる。ここで、Ａ（ｓ）はアクチュエータが配置されたパネルの振動（即ち、加速度）を表している。アクチュエータの最適な配置はΛ（ｓ）よりもＧ（ｓ）の特徴を研究して行なわれている。なぜなら、これらの特徴は一般的に全く異なっているからである。伝達関数Γ（ｓ）は振動Ａ（ｓ）からＳＰＬへの伝達関数を表している。
However, in this formula (7), A (s) = Λ (s) V (s) (8)
It becomes. Here, A (s) represents the vibration (that is, acceleration) of the panel on which the actuator is arranged. Optimal placement of actuators is done by studying the characteristics of G (s) rather than Λ (s). This is because these characteristics are generally quite different. The transfer function Γ (s) represents the transfer function from the vibration A (s) to the SPL.
次に、コンパクトカーの床にピエゾアクチュエータを設置した場合の伝達関数Λ（ｓ）とＧ（ｓ）の一例を図７に基づいて説明する。図７（ａ）に示すように、ピエゾアクチュエータ７１はフロアパネルに設置されており、入力電圧Ｖが入力される。このようなシステムにおいて、伝達関数Λ（ｓ）とＧ（ｓ）はそれぞれ図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、周波数に対して全く異なるゲインになっていることが分かる。
Next, an example of transfer functions Λ (s) and G (s) when a piezo actuator is installed on the floor of a compact car will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7A, the
また、理論的には、分布定数系であり、無数の点によって構成され、それぞれの点はサブシステムを表している。実際には、車両の床やフロアパネルは限られた数の小さなパッチに分割することができ、それらのパッチは床全体を覆っている。その結果、図５に示したように、有限の数の測定点をフロア上に配置し、各測定点に対して伝達関数Ｇ（ｓ）を計算すればよい。 Theoretically, it is a distributed constant system and is composed of innumerable points, and each point represents a subsystem. In practice, a vehicle floor or floor panel can be divided into a limited number of small patches that cover the entire floor. As a result, as shown in FIG. 5, a finite number of measurement points may be arranged on the floor, and the transfer function G (s) may be calculated for each measurement point.
理想的には、アクチュエータの特徴をＧ（ｓ）に含め、伝達関数Ｇ（ｓ）を実験によって計算すればよい。例えば、図８（ａ）に示すように、アクチュエータ８１を実際にフロアパネル８２に設置して、そのときの騒音をマイクロフォン８３で検出する。そして、フロアパネル８２の各点にアクチュエータ８１を設置して実験を繰り返し行う。その結果、Ｇ（ｓ）は
によって計算される。ここで、Ｓ（ω）はＳＰＬ（ｔ）のフーリエ変換であり、Ｖ（ω）はＶ（ｔ）のフーリエ変換である。ＳＰＬは車室内の各点における音の圧力レベルであり、Ｖはアクチュエータへの入力信号である。 Calculated by Here, S (ω) is the Fourier transform of SPL (t), and V (ω) is the Fourier transform of V (t). SPL is a sound pressure level at each point in the vehicle interior, and V is an input signal to the actuator.
しかしながら、理想的な技術ではあるものの実際に上述の実験を実行することは困難であり、長時間を要してしまう。そこで、本実施形態ではシェーカーを設置することで近似して行なった。 However, although it is an ideal technique, it is difficult to actually perform the above-described experiment, and it takes a long time. Therefore, in the present embodiment, the approximation is performed by installing a shaker.
図８（ｂ）に示すように、対象としている点に対してシェーカー８４によってフロアパネル８２に振動を与え、白色ガウス雑音を供給する。そして、車室内のＳＰＬをマイクロフォン８３で検出し、シェーカー８４によって与えられた振動の加速度α（ｔ）を測定する。
As shown in FIG. 8B, the floor panel 82 is vibrated by a
この処理は、通例パネルの振動特性を計算するために行なわれており、ピエゾアクチュエータによる実験よりもはるかに早く実施することができる。 This process is typically performed to calculate the vibration characteristics of the panel and can be performed much faster than experiments with piezo actuators.
アクチュエータの入力信号Ｖ（ｔ）はシャーカー８４による振動の加速度α（t）によって置き換えることができる。この技術はパネルの各点に対して行われ、これによって式（９）の伝達関数Ｇ（ｓ）が得られるわけではなく、Ｇ’（ｓ）が
によって与えられる。ここで、Ｆ（ω）はＦ（ｔ）のフーリエ変換である。伝達関数Ｇ（ｓ）とＧ’（ｓ）は完全に同一ではないが、両方の伝達関数は近似しているので、Ｇ’（ｓ）をアクチュエータの配置を決めるために利用することは可能である。 Given by. Here, F (ω) is the Fourier transform of F (t). Although the transfer functions G (s) and G ′ (s) are not completely identical, since both transfer functions are approximate, G ′ (s) can be used to determine the placement of the actuator. is there.
したがって、伝達関数Ｇ’を利用してアクチュエータの最適な配置の候補を決定し、この候補となる場所にアクチュエータを実際に設置して検証することで、実際のＧ（ｓ）を計算する。そして、最終的にアクチュエータの最適な配置を決定するようにする。 Therefore, an actual G (s) is calculated by determining a candidate for optimal arrangement of the actuator using the transfer function G ', and actually installing and verifying the actuator at the candidate location. Finally, the optimum arrangement of the actuators is determined.
ここで、アクチュエータの最適な配置を決定する処理の一例を図９に基づいて説明する。この例では車両がコンパクトカーの場合を一例として示しており、フロアパネル７５はフロントフロアパネル７６とミドルフロアパネル７７とリアフロアパネル７８とから構成されている。アクチュエータはＰＺＴタイプのピエゾアクチュエータであり、フロアパネル７５には全体で１１７のポイントが設定されている。
Here, an example of the process for determining the optimum arrangement of the actuator will be described with reference to FIG. In this example, the case where the vehicle is a compact car is shown as an example, and the
ここで、図９のポイントＰ１における伝達関数Ｇ’（ｓ）とＧ（ｓ）のゲインを図１０（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。同様に図９のポイントＰ２における伝達関数Ｇ’（ｓ）とＧ（ｓ）のゲインを図１１（ａ）及び（ｂ）にそれぞれに示す。また、図９に示すＳＰＬは運転者の右耳の位置における音の圧力レベルを検出するマイクロフォンの位置である。ポイントＰ１はフロントフロアパネル７６に位置する点であり、ポイントＰ２はミドルフロアパネル７７に位置する点である。
Here, the gains of the transfer functions G ′ (s) and G (s) at the point P1 in FIG. 9 are shown in FIGS. 10A and 10B, respectively. Similarly, the gains of the transfer functions G ′ (s) and G (s) at the point P2 in FIG. 9 are shown in FIGS. 11A and 11B, respectively. Further, SPL shown in FIG. 9 is a microphone position for detecting a sound pressure level at the position of the driver's right ear.
図１０及び図１１に示すように、この例ではポイントＰ１とポイントＰ２の２点間では特性が全く異なっていることが分かる。また、伝達関数Ｇ’（ｓ）とＧ（ｓ）のゲインの形状は完全には一致していないものの、非常に近い形状をしているので、アクチュエータの最適な配置を決定するために伝達関数Ｇ’（ｓ）を利用することが効果的であることが分かる。 As shown in FIGS. 10 and 11, in this example, it is understood that the characteristics are completely different between the two points P1 and P2. Further, although the shapes of the gains of the transfer functions G ′ (s) and G (s) are not completely coincident with each other, they are very close to each other, so that the transfer function is determined in order to determine the optimal arrangement of the actuators. It can be seen that it is effective to use G ′ (s).
例えば、ＳＰＬが１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの周波数範囲で制御される場合にはアクチュエータはポイントＰ１よりもポイントＰ２に設置するべきである。なぜなら、Ｇ（ｓ）のゲインはおよそ３５ｄＢ大きいからである。 For example, when the SPL is controlled in the frequency range of 100 Hz to 120 Hz, the actuator should be installed at the point P2 rather than the point P1. This is because the gain of G (s) is approximately 35 dB larger.
次に、別の実験を行なう。この実験は１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの周波数範囲においてポイントＰ１よりもポイントＰ２にアクチュエータを設置した場合の利点を確認するために行うものである。 Next, another experiment is performed. This experiment is performed in order to confirm the advantage when the actuator is installed at the point P2 rather than the point P1 in the frequency range of 100 Hz to 120 Hz.
この実験ではポイントＰ１における伝達関数をＧ１（ｓ）とし、ポイントＰ１にアクチュエータが設置された場合の制御関数をＣ１とする。一方、ポイントＰ２における伝達関数をＧ２（ｓ）とし、制御関数はＣ２とする。制御関数Ｃ１とＣ２は同じ方法で設計されたものであり、両方とも１１０Ｈｚにおける制御のために設計されたものである。 In this experiment, the transfer function at the point P1 is G1 (s), and the control function when the actuator is installed at the point P1 is C1. On the other hand, the transfer function at point P2 is G2 (s), and the control function is C2. Control functions C1 and C2 are designed in the same way, both designed for control at 110 Hz.
また、シェーカーは、周波数１１０Ｈｚの騒音を生成するために使われ、フロアパネルに結合されて振動を与えている。この振動は車室内に１１０Ｈｚの騒音を供給する。 The shaker is used to generate noise having a frequency of 110 Hz and is coupled to the floor panel to give vibration. This vibration supplies a noise of 110 Hz to the vehicle interior.
制御関数Ｃ１は、ピエゾアクチュエータがポイントＰ１に設置された場合に利用され、約３ｄＢの車室内ノイズを除去することができる。同様に制御関数Ｃ２は、同じピエゾアクチュエータがポイントＰ２に設置された場合に利用され、約３ｄＢの車室内ノイズを同様に除去することができる。サンプリング周波数は１４００Ｈｚで実行される。 The control function C1 is used when the piezo actuator is installed at the point P1, and can remove about 3 dB of vehicle interior noise. Similarly, the control function C2 is used when the same piezo actuator is installed at the point P2, and the vehicle interior noise of about 3 dB can be similarly removed. The sampling frequency is executed at 1400 Hz.
この実験の結果、ポイントＰ１に設置されたピエゾアクチュエータによって要求される電圧［Ｖ］（結果として消費電力）は、ポイントＰ２に設置されたピエゾアクチュエータによって要求される電圧［Ｖ］よりもはるかに大きくなる。 As a result of this experiment, the voltage [V] (resulting in power consumption) required by the piezo actuator installed at the point P1 is much larger than the voltage [V] required by the piezo actuator installed at the point P2. Become.
ここで、ポイントＰ１とＰ２における１秒間の電圧を図１２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれに示す。図１２（ａ）に示すポイントＰ１における電圧［Ｖ］の大きさは、図１２（ｂ）に示すポイントＰ２における電圧［Ｖ］の５〜１０倍になっていることが分かる。これにより、アクチュエータをポイントＰ２に設置すれば、ポイントＰ１に設置した場合よりも消費電力を大幅に低下させられることが分かる。したがって、ポイントＰ１にアクチュエータを設置してもポイントＰ２にアクチュエータを設置してもノイズを除去することは可能であるが、適切にアクチュエータの位置を選択すれば、アクチュエータを駆動するために要求される電圧を大きく低減することができ、小さな電圧でノイズの除去を実現できることが分かる。 Here, the voltage for one second at the points P1 and P2 is shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), respectively. It can be seen that the voltage [V] at the point P1 shown in FIG. 12A is 5 to 10 times the voltage [V] at the point P2 shown in FIG. Thus, it can be seen that if the actuator is installed at the point P2, the power consumption can be greatly reduced as compared with the case where the actuator is installed at the point P1. Therefore, it is possible to remove noise regardless of whether the actuator is installed at the point P1 or the actuator at the point P2. However, if the actuator position is appropriately selected, it is required to drive the actuator. It can be seen that the voltage can be greatly reduced and noise can be eliminated with a small voltage.
また、アクチュエータの数を決定することとアクチュエータの配置を決定することは密接に関連している。なぜなら、どちらも目的は、制御対象とする騒音の周波数範囲においてＧ（ｓ）のゲインが大きくなるポイントを見つけることだからである。選択したポイントにおける伝達関数のゲインを重ね合わせていき、その値が制御対象とする騒音の周波数範囲において、予め設定した所定のしきい値Γよりも大きくなることが必要となる。したがって、１つのアクチュエータによる伝達関数のゲインが、制御対象とする周波数範囲においてしきい値Γよりも大きくなれば、アクチュエータの数は１個でよい。 Also, determining the number of actuators and determining the placement of the actuators are closely related. This is because the purpose of both is to find a point where the gain of G (s) increases in the frequency range of the noise to be controlled. It is necessary to superimpose the gains of the transfer functions at the selected points, and the value should be larger than a predetermined threshold value Γ set in advance in the frequency range of the noise to be controlled. Therefore, if the gain of the transfer function by one actuator becomes larger than the threshold value Γ in the frequency range to be controlled, the number of actuators may be one.
また、制御対象とする周波数範囲において、１つのアクチュエータによる伝達関数のゲインだけではしきい値Γを超えられない場合には、複数のゲインを重ね合わせてしきい値Γよりも大きくなるようにする。 Also, in the frequency range to be controlled, when the gain of the transfer function by one actuator cannot be exceeded only by the threshold Γ, a plurality of gains are overlapped so as to be larger than the threshold Γ. .
例えば、図１３に示すように、ｆ１〜ｆ２の周波数範囲における車室内のノイズを除去する場合には、ポイントＰ１、Ｐ２、Ｐ３における伝達関数Ｇ（ｓ）のゲインをすべて重ね合わせることでｆ１〜ｆ２の周波数範囲においてしきい値Γを上回ることができる。したがって、この場合にはＰ１、Ｐ２、Ｐ３の３箇所にアクチュエータを設置する必要がある。 For example, as shown in FIG. 13, in order to remove the noise in the vehicle compartment in the frequency range of f1 to f2, the gains of the transfer functions G (s) at the points P1, P2, and P3 are all overlapped so that f1 to f1. The threshold Γ can be exceeded in the frequency range of f2. Therefore, in this case, it is necessary to install actuators at three locations P1, P2, and P3.
また、しきい値Γは、設計者あるいはシステムの要求に応じて決定される。しかし、設計者がしきい値Γを要求したとしても、そのしきい値Γよりも大きな値のゲインを持つポイントが１つもなければ、しきい値Γの値はゲインの値に応じて低下させることになる。また、しきい値Γを、算出された総ての伝達関数の中間値に設定するようにしてもよい。 The threshold Γ is determined according to the requirements of the designer or system. However, even if the designer requests the threshold Γ, if there is no point having a gain larger than the threshold Γ, the value of the threshold Γ is decreased according to the gain value. It will be. Further, the threshold Γ may be set to an intermediate value of all the calculated transfer functions.
以上、本実施形態のアクチュエータの配置決定処理により決定された位置にアクチュエータを配置することによって、車室内の騒音を低減できるとともに消費電力も低減することができる原理を説明した。 As described above, the principle that the noise in the passenger compartment and the power consumption can be reduced by arranging the actuator at the position determined by the actuator arrangement determining process of the present embodiment has been described.
このように、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、車体パネルのあらゆる位置に振動を与え、この振動によって発生した騒音を検出し、制御対象とする騒音の周波数範囲における伝達関数を算出し、この伝達関数のゲインが略最大となる位置にアクチュエータ５を設置するようにしたので、車室内の騒音を低減することができるとともに、アクチュエータ５による消費電力を低減することができる。
Thus, in the actuator
また、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、制御対象とする騒音の周波数範囲において、複数の伝達関数のゲインを重ね合わせることで、所定のしきい値Γよりも大きくなるように設定したので、複数のアクチュエータ５によって効率的に車室内の騒音を低減することができる。
Further, in the optimum
さらに、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、しきい値Γを振動が与えられた車体パネルの総ての位置における伝達関数の中間値に設定したので、しきい値Γを容易に設定することができる。
Furthermore, in the optimum
また、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、伝達関数の入力信号をアクチュエータ５への入力信号Ｖ（ｔ）としたので、伝達関数Ｇ（ｓ）を求めることが可能となる。
Moreover, in the actuator optimal arrangement |
さらに、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、伝達関数の入力信号を車体パネルに与えられた振動の加速度α（t）としたので、アクチュエータ５への入力信号Ｖ（ｔ）を振動の加速度α（t）で置き換えることができ、これによって伝達関数Ｇ’（ｓ）を求めることが可能となる。
Furthermore, in the actuator
また、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、車体パネルに複数の点を割り当て、各点において伝達関数を算出し、制御対象とする騒音の周波数範囲において伝達関数のゲインが最も大きくなる点を選択し、その点にアクチュエータ５を設置したので、車室内の騒音を低減することができるとともに、アクチュエータ５による消費電力を低減することができる。
Further, in the actuator
さらに、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置１では、車体パネルを車両の床にしたので、容易にアクチュエータ５を設置することができるとともに、車室内の騒音を確実に低減させることができる。
Furthermore, in the optimum
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態のアクチュエータ最適配置装置によるアクチュエータの配置決定処理では、制御対象とする騒音の周波数範囲を複数のセグメントに分割し、各セグメントにおいて伝達関数のゲインが略最大となるようにアクチュエータを配置したことが第１の実施形態と異なっている。尚、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置の構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the actuator placement determination process by the actuator optimum placement device of the present embodiment, the frequency range of the noise to be controlled is divided into a plurality of segments, and the actuators are placed so that the gain of the transfer function is substantially maximum in each segment. This is different from the first embodiment. In addition, since the structure of the actuator optimal arrangement | positioning apparatus of this embodiment is the same as 1st Embodiment, detailed description is abbreviate | omitted.
図１４に示すように、本実施形態のアクチュエータの配置決定処理では、制御対象とする騒音の周波数範囲をｆ１〜ｆ２のセグメントとｆ３〜ｆ４のセグメントに分割し、各セグメントで伝達関数のゲインがしきい値よりも大きくなるようにアクチュエータを配置している。また、それぞれのセグメントにおいて、しきい値は必ずしも等しくする必要はなく、別々に設定してもよい。 As shown in FIG. 14, in the actuator arrangement determination process according to the present embodiment, the frequency range of the noise to be controlled is divided into segments f1 to f2 and segments f3 to f4, and the gain of the transfer function is determined in each segment. The actuator is arranged so as to be larger than the threshold value. In each segment, the threshold values are not necessarily equal, and may be set separately.
図１４では、ｆ１〜ｆ２のセグメントではしきい値をΓ１に設定し、ｆ３〜ｆ４のセグメントではしきい値をΓ２に設定している。そして、ｆ１〜ｆ２のセグメントにおける伝達関数のゲインが最大となるアクチュエータの配置を上述したアクチュエータの配置決定処理で求め、その位置がポイントＰ１となる。 In FIG. 14, the threshold value is set to Γ1 for the segments f1 to f2, and the threshold value is set to Γ2 for the segments f3 to f4. Then, the actuator arrangement that maximizes the gain of the transfer function in the segments f1 to f2 is obtained by the actuator arrangement determination process described above, and the position becomes the point P1.
同様に、ｆ３〜ｆ４のセグメントにおける伝達関数のゲインが最大となるアクチュエータの配置をアクチュエータの配置決定処理によって求め、その位置がポイントＰ２となる。 Similarly, the actuator arrangement that maximizes the gain of the transfer function in the segments f3 to f4 is obtained by the actuator arrangement determination process, and the position becomes the point P2.
こうしてアクチュエータの配置が決定したら、ポイントＰ１とＰ２にアクチュエータを設置して能動振動制御装置を構成する。 When the arrangement of the actuators is determined in this manner, the active vibration control device is configured by installing the actuators at points P1 and P2.
ここで、能動振動制御装置の構成を図１５に基づいて説明する。図１５に示すように、能動振動制御装置９１は、車室内の騒音を検出するマイクロフォン９２と、Ｐ１に設置されたアクチュエータ９３ａと、Ｐ２に設置されたアクチュエータ９３ｂと、車室内の騒音を抑制するための制御を行うコントローラ９４とを備えている。
Here, the configuration of the active vibration control device will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 15, the active
このように構成された能動振動制御装置９１による騒音の制御処理の一例を以下に示す。この制御の目的は、１００〜１２０Ｈｚと２６０〜２８０Ｈｚの周波数範囲において車室内のノイズを除去することである。
An example of noise control processing by the active
ここで、２６０〜２８０Ｈｚの周波数範囲はタイヤ空洞共鳴周波数（２５０〜２７０Ｈｚ）に対応している。また、ロードノイズの周波数を制御対象としてもよい。 Here, the frequency range of 260 to 280 Hz corresponds to the tire cavity resonance frequency (250 to 270 Hz). The frequency of road noise may be controlled.
第１の実施形態で説明したように、アクチュエータの配置決定処理によって、車両のフロアパネルの総ての点における伝達関数Ｇ（ｓ）のゲインを調べてあるので、２つのセグメントにおける騒音を制御するためには２つの点にアクチュエータを設置すればよいことが分かる。 As described in the first embodiment, the gain of the transfer function G (s) at all points on the floor panel of the vehicle has been examined by the actuator placement determination process, so the noise in the two segments is controlled. For this purpose, it can be seen that actuators may be installed at two points.
ここで、ポイントＰ１に設置されたアクチュエータ９３ａは２６０Ｈｚ〜２８０Ｈｚの範囲を制御するために使用され、ポイントＰ２に設置された別のアクチュエータ９３ｂは１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの範囲を制御するために使用される。
Here, the
コントローラ９４は、第１の実施形態で説明したアクチュエータの配置決定処理によって算出された制御関数Ｃによってアクチュエータ９３ａ、９３ｂを制御する。
The
図１５に示すように、コントローラ９４は運転者の右耳の位置におけるＳＰＬを制御するために、２つのアクチュエータ９３ａ、９３ｂを駆動し、４０９６Ｈｚのサンプリング周波数で動作する。
As shown in FIG. 15, the
この制御によってノイズを除去した結果を図１６及び図１７に示す。図１６は９５〜１２５Ｈｚの周波数範囲におけるＳＰＬを示し、図１７は２５５〜２８５Ｈｚの周波数範囲におけるＳＰＬを示す。いずれも実線がノイズを除去するための制御を実施した場合を示し、点線が実施しない場合を示し、両者を比較したものである。 The results of removing noise by this control are shown in FIGS. FIG. 16 shows SPL in the frequency range of 95 to 125 Hz, and FIG. 17 shows SPL in the frequency range of 255 to 285 Hz. In either case, the solid line indicates the case where control for removing noise is performed, the dotted line indicates the case where the control is not performed, and both are compared.
図１６及び図１７に示すように、この制御を実施したことによって車室内のノイズを大きく除去できることが分かる。例えば、ｆ＝１１３Ｈｚでは１３ｄＢのノイズ除去を実現し、ｆ＝２７０Ｈｚでは７ｄＢのノイズ除去を実現している。 As shown in FIGS. 16 and 17, it can be seen that the noise in the passenger compartment can be largely removed by performing this control. For example, noise removal of 13 dB is realized at f = 113 Hz, and noise removal of 7 dB is realized at f = 270 Hz.
次に、アクチュエータ９３ａ、９３ｂに入力される電圧を図１８及び図１９に示す。図１８はポイントＰ１に設置されたアクチュエータ９３ａに入力される電圧であり、図１９はポイントＰ２に設置されたアクチュエータ９３ｂに入力される電圧である。いずれの入力電圧も±１Ｖ以下となっているので、低いことが分かり、図１２に示した入力電圧と比較すると、ポイントＰ１における入力電圧が低くなっていることが分かる。
Next, voltages input to the
このように、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置では、制御対象とする騒音の周波数範囲を複数のセグメントに分割し、各セグメントにおいて伝達関数のゲインが略最大となるようにアクチュエータを配置したので、騒音の周波数範囲が異なる場合であっても確実に騒音を低減することができる。 Thus, in the actuator optimum arrangement device of the present embodiment, the frequency range of the noise to be controlled is divided into a plurality of segments, and the actuator is arranged so that the gain of the transfer function is substantially maximum in each segment. Even when the frequency ranges of noise are different, noise can be reliably reduced.
また、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置では、制御対象とする騒音の周波数範囲をタイヤ空洞共鳴周波数にしたので、車両の走行時に発生する騒音を確実に低減させることができる。 Moreover, in the actuator optimal arrangement apparatus of this embodiment, since the frequency range of the noise to be controlled is the tire cavity resonance frequency, it is possible to reliably reduce the noise generated when the vehicle travels.
さらに、本実施形態のアクチュエータ最適配置装置では、制御対象とする騒音の周波数範囲をロードノイズの周波数にしたので、車両の走行時に発生する騒音を確実に低減させることができる。 Furthermore, in the actuator optimum arrangement device of the present embodiment, the frequency range of the noise to be controlled is set to the road noise frequency, so that it is possible to reliably reduce the noise generated when the vehicle travels.
以上、本発明のアクチュエータ最適配置装置について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。 The actuator optimum arrangement device of the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is replaced with an arbitrary configuration having the same function. be able to.
１ アクチュエータ最適配置装置
２、７５、８２ フロアパネル
３、８４ シェーカー
４、６２、８３ マイクロフォン
５、６３、７１、８１、９３ａ、９３ｂ アクチュエータ
６ 制御装置
７ キャリア
８ シェーカーガイドレール
９ キャリアガイドレール
１０ ガイドレール
２１ キャビンパネル
２２ タンクパネル
２３ スペアタイヤパネル
３１ 縦メンバ
３２ 横メンバ
５１ パッチ
５２ 測定点
６１、９１ 能動振動制御装置
６４、９４ コントローラ
７６ フロントフロアパネル
７７ ミドルフロアパネル
７８ リアフロアパネル
1 Actuator
Claims (10)
前記車体パネルのあらゆる位置に振動を与え、この振動によって発生した騒音を検出し、制御対象とする騒音の周波数範囲における伝達関数を算出し、この伝達関数のゲインが略最大となる位置に前記アクチュエータを設置することを特徴とするアクチュエータ最適配置装置。 An actuator optimum arrangement device that determines an optimum arrangement of the actuator in an active vibration control device that suppresses noise in a vehicle interior by an actuator installed on a vehicle body panel,
Vibration is applied to any position of the vehicle body panel, noise generated by the vibration is detected, a transfer function in the frequency range of the noise to be controlled is calculated, and the actuator is positioned at a position where the gain of the transfer function is substantially maximum. The actuator optimal arrangement device characterized by installing.
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