JP2019114114A

JP2019114114A - 車両のパネル部材の振動解析装置

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Publication number: JP2019114114A
Application number: JP2017248118A
Authority: JP
Inventors: 周西田; Shu Nishida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP6935743B2

Abstract

【課題】中周波数領域における車両のパネル部材の振動解析の精度を向上させる振動解析装置を提供する。【解決手段】記憶装置と演算装置とを備えた車両のパネル部材の振動解析装置であり、記憶装置は、振動解析されるべき全てのパネル部材の複数の評価パネルについて振動シミュレーションにより求められた等価放射パワーと、複数の評価パネルについて実験により計測された音響伝達関数Ｐ／Ｑiと、複数の評価パネルについて実験により計測された防音材表皮振動比γiと、を記憶する。演算装置は、等価放射パワー、音響伝達関数及び防音材表皮振動比に基づいて各パネル部材について音圧感度Ｐ／Ｆを演算し、発音寄与の解析を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、車両のパネル部材についての音圧感度の演算などの振動解析を行うパネル振動解析装置に係る。

自動車などの車両においては、フロアパネルのようなパネル部材は、エンジンやサスペンションから振動が入力されることにより振動し、パネル部材から騒音が放射されることに起因して、不快な車室内振動音が発生することがある。そのため、これらの振動及び騒音を低減するための対策が従来行われている。

振動及び騒音を低減するための対策の一つとして、有限要素法による振動シミュレーションを行い、振動シミュレーションの結果からパネル部材の各評価パネルの等価放射パワーＥＲＰを求めることがよく知られている。例えば、下記の特許文献１には、振動シミュレーションの結果からパネル部材の各評価パネルの等価放射パワーを算出することにより、パネル部材に発生する振動を解析するための振動解析モデルを作成するよう構成されたパネル振動解析装置が記載されている。

特開２０１５−１８５１４２号公報

〔発明が解決しようとする課題〕
車両のパネル部材についての音圧感度及発音寄与は、振動の周波数によって異なる。特に２００〜５００Ｈzの中周波数領域においては、パネル部材の各部位における音響伝達関数及びパネル部材の表皮材の振動が車内音の発生に与える影響が大きくなることが判った。特許文献１に記載されているような従来のパネル振動解析装置においては、音響伝達関数及び表皮材の振動が考慮されないため、特に中周波数領域における振動解析の精度よくないという問題がある。

本発明の課題は、本願発明者が得た上記の知見に基づき、等価放射パワーに加えて音響伝達関数及び表皮材の振動に基づいて音圧感度の演算を行うことにより、中周波数領域における車両のパネル部材の振動解析の精度を向上させることである。

〔課題を解決するための手段及び発明の効果〕
本発明によれば、記憶手段（１２）と演算手段（１４）とを備えた車両のパネル部材の振動解析装置（１０）であって、記憶手段は、車両の振動解析されるべきパネル部材（２０）の複数の評価パネル（２４i）について振動シミュレーションにより求められた等価放射パワー（ＥＲＰpanelj）と、複数の評価パネルについて実験により計測された音響伝達関数（Ｐ／Ｑj）と、複数の評価パネルについて実験により計測された防音材表皮振動比（γj）と、を記憶するよう構成され、演算手段は、等価放射パワー、音響伝達関数及び防音材表皮振動比に基づいてパネル部材について音圧感度（Ｐ／Ｆ）を演算するよう構成された、車両のパネル部材の振動解析装置（１０）が提供される。

上記の構成によれば、車両の振動解析されるべきパネル部材の複数の評価パネルについて振動シミュレーションにより求められた等価放射パワーと、複数の評価パネルについて実験により計測された音響伝達関数及び防音材表皮振動比と、が記憶手段に記憶される。パネル部材についての音圧感度の演算は、演算手段により、等価放射パワー、音響伝達関数及び防音材表皮振動比に基づいて行われる。

よって、音響伝達関数及び防音材表皮振動比が考慮されることなく等価放射パワーＥＲＰに基づいて音圧感度が演算され、発音寄与のなどの振動解析が行われる従来の振動解析装置に比して、高精度に音圧感度の演算及び振動解析を行うことができる。

なお、「音響伝達関数」は、予め設定された測定点（耳位置）と各評価パネル近傍との間の音響伝達関数であり、体積加速度に対する測定点における音圧の比である。「防音材表皮振動比」は、金属などにて形成されたパネルとこれに接合された防音材とよりなるパネル部材の各評価パネルにおいて、パネルの振動振幅に対する防音材の振動振幅の比である。「音圧感度」は、パネル部材に入力される外力に対する音圧の比であり、具体的には後述の式（３）に従って演算される。「音圧感度」は、振動の周波数によって異なる値になる。

上記説明においては、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態に対応する発明の構成に対し、その実施形態で用いられた符号が括弧書きで添えられている。しかし、本発明の各構成要素は、括弧書きで添えられた符号に対応する実施形態の構成要素に限定されるものではない。本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の実施形態にかかるパネル部材の振動解析装置を示す概略構成図である。振動解析装置により振動解析されるべき車両のパネル部材の例としてのフロアパネル部材を示す斜視図である。パネル部材のパネル及び防音材の振動を計測する要領を示す拡大部分断面図である。実施形態における音圧感度の演算及び発音寄与解析の制御ルーチンを示すフローチャートである。実施形態に従って演算された振動の周波数［Ｈz］と音圧感度Ｐ／Ｆ［dＢ］との関係の一例（実線）を、実測値（破線）と共に示すグラフである。種々のパネル部材について周波数［Ｈz］と音圧感度Ｐ／Ｆ［dＢ］との関係の例を車内音と共に示すグラフである。ルーフパネルの各評価パネルについて発音レベルを示す平面図である。フロントガラスの各評価パネルについて発音レベルを示す背面図である。実施形態による振動解析装置を使用して車両のパネル部材の振動解析が行われる場合の手順及び信号処理を示すフローチャートである。

以下に添付の図を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１において、本発明の実施形態にかかる車両のパネル部材の振動解析装置１０は、記憶装置１２、演算装置１４、表示装置１６及び入力装置１８を有している。記憶装置１２及び演算装置１４は、必要に応じて相互に情報の授受を行い、入力装置１８は記憶装置１２及び演算装置１４に対し必要なデータ及び指令を入力するためにオペレータによって操作される。なお、図１には示されていないが、振動解析装置１０は、記憶装置１２としてのハードディスク及びＲＡＭ、演算装置１４としてのＣＰＵ、表示装置１６としてのモニタ、入力装置１８としてのキーボード及びマウスなどを有するパーソナルコンピュータであってよい。

図２は、振動解析装置１０により振動解析されるべき車両のパネル部材の例として、フロアパネル部材２０の一部（フロントフロアパネル）を示している。フロアパネル部材２０は、車幅方向中央部において車両前後方向に延在する畝部２０Ａと、車幅方向両側部において上方へ延在する側辺部２０Ｂとを有している。フロアパネル部材２０は、車両前後方向及び車幅方向に延在する区画線２２により、ｉ＝１からｉ＝ｎ（正の整数）までの実質的に矩形の複数の評価パネル２４ｉに区画されており、○印２６は音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiを測定する位置を示している。なお、図には示されていないが、振動解析されるべき車両の他のパネル部材も同様に複数の評価パネルに区画される。他のパネル部材として、例えばルーフパネル、ウインドシールド（フロントガラス）、リヤパネル、サイドドアなどがある。

例えば、有限要素法により外力Ｆがパネル部材に入力されたときの振動シミュレーションが実行され、記憶装置１２は、振動シミュレーションにより求められた振動解析されるべきパネル部材についての等価放射パワーＥＲＰpaneliを記憶している。有限要素法による振動シミュレーションは、そのプログラムがハードディスクに記憶され、ＣＰＵによってプログラムが実行されることにより行われてもよく、またパネル振動解析装置１０とは別の装置により行われてもよい。

なお、図には示されていないが、各評価パネル２４ｉはｊ＝１からｊ＝ｍ（正の整数）までの複数の要素に区画されている。等価放射パワーＥＲＰpaneliは、周知のように、空気のインピーダンスをρcとし、各要素の速度成分をＶj（j＝１〜ｍ）とし、各要素の面積をＤj（j＝１〜ｍ）として、下記の式（１）に従って演算されてよい。

また、記憶装置１２は、評価パネル２４ｉについて実験により計測された音響伝達関数Ｐ／Ｑiを記憶している。なお、音響伝達関数Ｐ／Ｑiは、予め設定された測定点（耳位置）と各評価パネル近傍との間の音響伝達関数であり、体積加速度Ｑiに対する測定点における音圧Ｐの比である。

更に、記憶装置１２は、振動解析されるべきパネル部材の各評価パネル２４ｉについて実験により計測された防音材表皮振動比γi（i＝１〜ｎ）を記憶している。図３に示されているように、フロアパネル部材２０のようなパネル部材２８は、金属製のパネル３０と、合成樹脂などにて形成されパネル３０に接合された防音材３２とよりなっている。パネル３０の表面に取り付けられた加速度計３４及びこれに整合する位置にて防音材３２の表面に取り付けられた加速度計３６により、それぞれパネル３０及び防音材３２の振動（振幅）Ａpaneli及びＡtrimiが各評価パネル２４ｉについて計測される。そして、防音材表皮振動比γiは、各評価パネルについての振動増幅比Ａtrimi／Ａpaneliとして演算される。

なお、各評価パネル２４ｉについて、測定位置２６及びその近傍の複数の位置において振動Ａpaneli及びＡtrimiが計測され、各振動増幅比Ａtrimi／Ａpaneliの平均値として防音材表皮振動比γiが演算されてもよい。

更に、記憶装置１２は、後述の図４に示されたフローチャートに対応する制御プログラムを記憶している。演算装置１４は、制御プログラムを実行することにより、等価放射パワーＥＲＰpaneli、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiに基づいて、振動解析されるべき各パネル部材について音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析を行う。表示装置１６は、制御プログラムに基づく必要な情報の表示を行うと共に、必要に応じてオペレータに指令及びデータ入力を促すメッセージを表示する。

次に、図４に示されたフローチャートを参照して実施形態における音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析の制御ルーチンについて説明する。図４に示されたフローチャートによる制御は、表示装置１６に表示された制御プログラムのスタートボタンがクリックされたときに実行される。なお、下記の説明においては、図４に示されたフローチャートによる制御を単に「制御」と指称する。

まず、ステップ１０においては、オペレータによって入力装置１８が操作されることにより、音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析が行われるべき車両のパネル部材が、例えばフロアパネル、ルーフパネル、フロントガラス、リヤパネル、サイドドアに設定される。設定されたパネル部材は記憶装置１２に記憶される。

ステップ２０においては、記憶装置１２が振動シミュレーションにより求められた等価放射パワーＥＲＰpaneliをステップ１０において設定された全てのパネル部材について記憶しているか否かの判別が行われる。肯定判別が行われたときには制御はステップ４０へ進み、否定判別が行われたときには制御はステップ３０へ進む。

ステップ３０においては、未入力の等価放射パワーＥＲＰpaneliの入力を催促する旨のメッセージが表示装置１６に表示され、更に所定の時間の待機が行われ、その後制御はステップ２０へ戻る。

ステップ４０においては、記憶装置１２が実験により計測された音響伝達関数Ｐ／Ｑiをステップ１０において設定された全てのパネル部材について記憶しているか否かの判別が行われる。肯定判別が行われたときには制御はステップ６０へ進み、否定判別が行われたときには制御はステップ５０へ進む。

ステップ５０においては、未入力の音響伝達関数Ｐ／Ｑiの入力を催促する旨のメッセージが表示装置１６に表示され、更に所定の時間の待機が行われ、その後制御はステップ４０へ戻る。

ステップ６０においては、記憶装置１２が実験により計測された防音材表皮振動比γiをステップ１０において設定された全てのパネル部材について記憶しているか否かの判別が行われる。肯定判別が行われたときには制御はステップ８０へ進み、否定判別が行われたときには制御はステップ７０へ進む。

ステップ７０においては、防音材表皮振動比γiの入力を催促する旨のメッセージが表示装置１６に表示され、更に所定の時間の待機が行われ、その後制御はステップ６０へ戻る。

ステップ８０においては、等価放射パワーＥＲＰpaneliに基づいて、下記の式（２）に従って各評価パネル２４ｉの平均振動Ａpanelaiが演算される。

ステップ９０においては、各評価パネル２４ｉの平均振動Ａpanelai、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiに基づいて、下記の式（３）に従って例えば１００〜６００［Ｈz］の種々の周波数について音圧感度Ｐ／Ｆ［dＢ］が演算される。なお、音圧感度Ｐ／Ｆは、ステップ１０において設定された全てのパネル部材について演算される。

ステップ１００においては、ステップ１０において設定された全てのパネル部材についての音圧感度Ｐ／Ｆの和として車内音［dＢ］が演算され、車内音に対する各パネル部材の音圧感度Ｐ／Ｆの関係（影響度合）として発音寄与が解析される。

ステップ１１０においては、ステップ９０において演算された音圧感度Ｐ／Ｆ及びステップ１００において求められた車内音と周波数［Ｈz］との関係が表示装置１６に表示される。なお、表示される項目及び表示の態様などをオペレータが入力装置１８の操作によって選択することができるようになっていてよい。

例えば、図５の実線は、実施形態に従って演算された車内音［dＢ］と周波数［Ｈz］の関係の一例を示している。図５の破線は、実測値であり、実施形態に従って演算された音圧感度の基づく車内音は、２００〜５００Ｈzの中周波数帯域においても実測値との対応がよいことが解る。従って、本発明の振動解析装置１０によれば、周波数と車内音との関係を精度よく推定することができる。

なお、図５には、前述の特許文献１に記載された振動解析装置のように音響伝達関数及び防音材表皮振動比が考慮されることなく等価放射パワーＥＲＰに基づいて振動が解析される従来の振動解析装置により求められる周波数と車内音との関係は図示されていない。しかし、本発明の振動解析装置１０によれば、等価放射パワーに加えて音響伝達関数及び防音材表皮振動比を使用して音圧感度Ｐ／Ｆが演算されるので、公知の振動解析装置に比して、音圧感度Ｐ／Ｆを高精度に演算し、振動解析の精度を高くすることができる。

また、図６は、種々のパネル部材について音圧感度Ｐ／Ｆと周波数［Ｈz］との関係の例を車内音と共に示している。図示の例の場合、２６０Ｈzの車内音に対する発音寄与はルーフパネルが最も高く、３６０Ｈzの車内音に対する発音寄与はウインドシールド、即ちフロントガラスが最も高いことが解る。図６から、実施形態に従って種々のパネル部材について音圧感度Ｐ／Ｆと周波数［Ｈz］との関係を求めることにより、車内音のレベルが高い周波数について、発音寄与の高いパネル部材を高精度に特定することができる。

更に、図７は、ルーフパネル３２の各評価パネル２４iについて発音レベルを示す平面図であり、図８は、フロントガラス３４の各評価パネル２４iについて発音レベルを示す背面図である。図７及び図８において、各評価パネル２４iが塗りつぶされているが、塗りつぶしの密度が高いほど発音レベルが高い。図７及び図８から、パネル部材の部位によって発音の大小が異なることが解る。よって、実施形態に従って種々のパネル部材の各評価パネルについて発音レベルを求めることにより、発音を低減すべき部位を高精度に特定することができる。

図９は、上述の実施形態による振動解析装置１０を使用して車両のパネル部材の振動解析が行われる場合の手順及び信号処理を示すフローチャートである。

ステップ２１０においては、振動解析されるべき車両の全てのパネル部材について、有限要素法により外力Ｆがパネル部材に入力されたときの振動シミュレーションが実行されることにより、等価放射パワーＥＲＰpaneliが演算される。

ステップ２２０においては、全てのパネル部材についての等価放射パワーＥＲＰpaneliが、オペレータによって振動解析装置１０へ入力され、記憶装置１２に保存される。なお、振動シミュレーション及び等価放射パワーＥＲＰpaneliの演算が振動解析装置１０により実行される場合には、オペレータによる入力は不要である。

ステップ２３０においては、振動解析装置１０により、全てのパネル部材について、等価放射パワーＥＲＰpaneliに基づいて上記式（２）に従って各評価パネルの平均振動Ａpanelaiが演算される。

ステップ２４０においては、全てのパネル部材の各評価パネルについて、音響伝達関数Ｐ／Ｑiが実験により計測され、ステップ２５０においては、音響伝達関数Ｐ／Ｑiがオペレータによって振動解析装置１０へ入力され、記憶装置１２に保存される。

同様に、ステップ２６０においては、全てのパネル部材の各評価パネルについて、防音材表皮振動比γiが実験により計測され、ステップ２７０においては、防音材表皮振動比γiがオペレータによって振動解析装置１０へ入力され、記憶装置１２に保存される。

なお、ステップ２１０〜２３０、ステップ２４０及び２５０、及びステップ２６０及び２７０の実行順序は、上記の順序に限定されず、下記のステップ２８０が開始されるまでに、平均振動Ａpanelai、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiが記憶装置１２に記憶されていればよい。

ステップ２８０においては、全てのパネル部材について、各評価パネル２４ｉの平均振動Ａpanelai、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiに基づいて、上記式（３）に従って音圧感度Ｐ／Ｆ［dＢ］が演算される。

ステップ２９０においては、全てのパネル部材についての音圧感度Ｐ／Ｆの和として車内音が演算されると共に、全てのパネル部材についての音圧感度Ｐ／Ｆ及び車内音と周波数［Ｈz］との関係が求められる。また、車内音に対する各パネル部材の音圧感度Ｐ／Ｆの関係として発音寄与が解析される。

ステップ３００においては、全てのパネル部材についての音圧感度Ｐ／Ｆ及び車内音と周波数［Ｈz］との関係、車内音に対する各パネル部材の発音寄与などが表示される。

以上の説明から、実施形態の振動解析装置１０を使用すれば、図９に示された車両のパネル部材の振動解析の方法を効率的に実施し、解析結果を効率的に表示することができることが解る。

以上においては本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

例えば、上述の実施形態においては、ステップ１０において、オペレータによって入力装置１８が操作されることにより、音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析が行われるべき車両のパネル部材が設定される。しかし、音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析が行われるべき車両のパネル部材が決まっている場合には、ステップ１０は省略されてよい。

また、上述の実施形態においては、ステップ２０、４０及び６０において、記憶装置１２がそれぞれ等価放射パワーＥＲＰpaneli、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiを記憶しているか否かの判別が行われる。しかし、オペレータが等価放射パワーＥＲＰpaneli、音響伝達関数Ｐ／Ｑi及び防音材表皮振動比γiを入力した後に音圧感度Ｐ／Ｆの演算及び発音寄与の解析を行う場合には、ステップ２０〜７０が省略されてよい。

更に、上述の実施形態においては、ステップ９０において、音圧感度Ｐ／Ｆは、上記式（３）に従って（Ａpanelai／Ｆ）×Ｓiの絶対値、Ｐ／Ｑiの絶対値及びγiの絶対値の積の二乗和平方根として演算される。しかし、三つの絶対値の少なくとも一つに重み係数が乗算されてもよい。

１０…振動解析装置、１２…記憶装置、１４…演算装置、１６…表示装置、１８…入力装置、２０…フロアパネル部材、２２…区画線、２４ｉ…評価パネル、２８…パネル部材、３２…防音材

Claims

記憶手段と演算手段とを備えた車両のパネル部材の振動解析装置において、前記記憶手段は、車両の振動解析されるべきパネル部材の複数の評価パネルについて振動シミュレーションにより求められた等価放射パワーと、前記複数の評価パネルについて実験により計測された音響伝達関数と、前記複数の評価パネルについて実験により計測された防音材表皮振動比と、を記憶するよう構成され、前記演算手段は、前記等価放射パワー、前記音響伝達関数及び前記防音材表皮振動比に基づいて前記パネル部材について音圧感度を演算するよう構成された、車両のパネル部材の振動解析装置。