JP4440015B2 - Hitting sound prediction method - Google Patents
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Description
本発明は、ゴルフクラブ等の打撃具でボールを打撃した時に生じる打球音等をコンピュータ解析で予測する打球音予測方法に関するものである。 The present invention relates to a hitting sound prediction method for predicting hitting sound generated when a ball is hit with a hitting tool such as a golf club by computer analysis.
ゴルフクラブの開発においては、打撃するゴルフボールの飛距離、方向性等を高めることがクラブに要求される重要なファクターとなっているが、ゴルフクラブでボールを打撃した際に発生する打球音もゴルファーに与えるフィーリングに大きく影響するため、打球音が良好であるか否かがゴルフクラブ設計の1つの検討項目となっている。 In the development of golf clubs, increasing the flight distance and directionality of the golf ball to be hit is an important factor required for the club, but the hitting sound generated when hitting the ball with the golf club is also Since it greatly affects the feeling given to the golfer, whether or not the hitting sound is good is one of the examination items for designing the golf club.
ところが、打球音を調べるには、ゴルフクラブの試作品を作製して実際に試打することで実験的に行う方法(特開2003−250934号公報、特開平10−267744号公報)、あるいは、CADデータからコンピュータ上でFEMモデルを作成し、固有値解析によりゴルフクラブヘッドの固有振動数を計算し、どの周波数の音が代表的な打球音になりそうかを勘に頼って予測する方法しかないのが現状である。 However, in order to check the hitting sound, a golf club prototype is manufactured and actually tested, and then experimentally performed (JP 2003-250934 A, JP 10-267744 A) or CAD. There is no other way than to create an FEM model on the computer from the data, calculate the natural frequency of the golf club head by eigenvalue analysis, and predict which frequency of sound is likely to become a typical hitting sound. Is the current situation.
しかしながら、前者のようにゴルフクラブの試作品を作成して打球音を確認していたのでは、開発に時間とコストが掛かる問題がある。また、後者の場合は、どの周波数の音が鳴るかは予測できたとしても、夫々のピーク周波数の音圧レベルがどの位の値になりそうか、何次の固有振動数が代表的なピークになりそうかについては開発者の経験に左右され精度が不十分である。
さらに、実打時のゴルフクラブヘッドに加わる力の周波数特性やヘッドに加振する位置等はヘッドの振動に影響を及ぼし打球音も変化するが、これらの影響が考慮されていないのが現状で、よって、正確に打球音を予測することができない。
Furthermore, the frequency characteristics of the force applied to the golf club head at the time of actual hitting and the position where the head is vibrated influences the vibration of the head and the hitting sound also changes, but these effects are not taken into account at present. Therefore, the hitting sound cannot be accurately predicted.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、ゴルフクラブ等を実際に試作することなく、コンピュータ上でより正確に打球音を予測できる方法を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method capable of predicting a hitting sound more accurately on a computer without actually making a prototype of a golf club or the like.
上記課題を解決するため、本発明は、
打撃具の打撃部によりボールを打撃する時に発生する打球音を、コンピュータ上の計算モデルに予め求めておいたボール打撃時に打撃部に生じる加振力を加えて、前記打撃具に発生する振動を予測することによりコンピュータ上で打球音を予測する方法であって、
前記コンピュータは、
固有値解析により有限要素に分割された計算モデルのモーダルパラメータを計算し、衝突解析により前記計算モデルに加える加振力を計算し、実験モーダル解析により前記計算モデルに加える減衰値の計算を行う解析部と、
上記モーダルパラメータ、上記加振力及び上記減衰値から、再生させる音圧の周波数特性を演算して音響解析する演算部と、
前記演算部から取得した音圧の周波数特性でボール打撃時の打球音を再生して出力する出力部を備え、
操作者の指示により、前記コンピュータ上で、前記打撃部を有限要素に分割した計算モデルが作成されると共に、これら分割した各要素に材料物性値が入力され、かつ、前記計算モデル上でボール接触領域を複数の領域に区分けされ、
前記コンピュータの解析部で、固有値解析により、前記計算モデルの固有振動数、固有振動モードからなるモーダルパラメータを算出し、かつ、ボール打撃時に前記打撃部に加えられる加振力を、衝突解析により求めた各節点の反力を用い、前記複数の領域内の各節点の反力を加算した後にフーリエ変換して周波数領域へ変換し、該周波数領域における加振力を前記計算モデル上で前記領域の中心位置にあたる節点に入力し、
前記コンピュータの演算部で、音響解析により、前記モーダルパラメータ、上記加振力及び上記減衰値に基づき、ボール打撃時に生じる打撃部の振動結果を得て、前記振動結果を境界条件として、下記の波動方程式により演算して、打撃時に発生する音圧の周波数特性を得ることを特徴とする打球音予測方法を提供している。
The vibration generated in the hitting tool is applied by adding the excitation force generated in the hitting part at the time of hitting the ball to the calculation model on the computer in advance for the hitting sound generated when hitting the ball by the hitting part of the hitting tool. A method for predicting a hitting sound on a computer by predicting,
The computer,
An analysis unit that calculates modal parameters of a calculation model divided into finite elements by eigenvalue analysis, calculates an excitation force applied to the calculation model by collision analysis, and calculates an attenuation value to be applied to the calculation model by experimental modal analysis When,
A calculation unit that calculates a frequency characteristic of a sound pressure to be reproduced from the modal parameter, the excitation force, and the attenuation value to perform acoustic analysis;
An output unit that reproduces and outputs a hitting sound at the time of hitting a ball with a frequency characteristic of sound pressure acquired from the calculation unit,
The instruction of the operator, on the computer, with calculation model divided the hitting portion finite element is created, material property value to each and these divided elements are input, and ball contact on the calculation model The area is divided into multiple areas,
The analysis unit of the computer calculates modal parameters including the natural frequency and natural vibration mode of the calculation model by eigenvalue analysis, and obtains the excitation force applied to the hitting unit at the time of hitting the ball by collision analysis. Using the reaction force of each node, the reaction force of each node in the plurality of regions is added, and then subjected to Fourier transform and converted to the frequency region, and the excitation force in the frequency region is calculated on the calculation model in the region. Enter the node corresponding to the center position,
In operation of the computer, the acoustic analysis, the modal parameters, based on the exciting force and the damping values to obtain a vibration result of the striking portion generated during ball striking, as a boundary condition in front Kifu dynamic results, under There is provided a hitting sound prediction method characterized by obtaining a frequency characteristic of sound pressure generated at the time of hitting by calculating using the wave equation.
具体的には、前記打撃具はゴルフクラブからなり、打撃部となるヘッドを有限要素法、有限差分法、有限体積法、境界要素法から選択される要素分割法を用いて多角形状の要素からなる前記計算モデルを作成し、前記要素の節点に前記ヘッドの弾性率および比重を含む材料物性値を入力し、固有値解析により、前記ヘッドの前記モーダルパラメータを算出しておき、
前記節点に、予め求めたゴルフボール打撃時にヘッドに加えられる加振力を入力している。
Specifically, the hitting tool is a golf club, and a head as a hitting part is formed from a polygonal element using an element division method selected from a finite element method, a finite difference method, a finite volume method, and a boundary element method. The calculation model is created, material physical values including elastic modulus and specific gravity of the head are input to the nodes of the element, and the modal parameters of the head are calculated by eigenvalue analysis,
An excitation force applied to the head when hitting a golf ball obtained in advance is input to the node.
前記打球音予測方法とすると、設計対象であるゴルフクラブヘッドの計算モデルについて固有値解析でモーダルパラメータを求めておき、そのモーダルパラメータを基に計算モデルに予め求めておいたボール打撃時にクラブに生じる加振力を入力することで、設計対象であるヘッドの打撃時の振動状況を得ることができる。計算モデルの振動状況が分かれば、それを境界条件として波動方程式を解けば音圧の周波数特性、即ち、夫々のピーク周波数の音圧レベルを取得することができ、打球音をコンピュータ上で再生して聞くことが可能になる。 According to the hitting sound prediction method, a modal parameter is obtained by eigenvalue analysis for a calculation model of a golf club head to be designed, and an effect generated in the club at the time of hitting the ball, which is previously obtained from the calculation model based on the modal parameter By inputting the vibration force, it is possible to obtain the vibration state at the time of hitting the head that is the design object. If the vibration situation of the calculation model is known, the frequency characteristics of the sound pressure, that is, the sound pressure level of each peak frequency, can be obtained by solving the wave equation using it as a boundary condition, and the hitting sound is reproduced on the computer. Can be heard.
モーダルパラメータのモード減衰値は、実験モーダル解析で得られた減衰値を用い、該減衰値を前記波動方程式に代入して演算している
このように、波動方程式を解く際に、実験モーダル解析により得られた減衰値を用いているのは、波動方程式を解くプロセスにおいて、代入する減衰値を計算で求めることはできないので、体積等が略同じヘッドで予め実験モーダル解析を実施し、得られた減衰値を用いる。このように、ほぼ同じ体積のヘッドであれば減衰値に大きな違いはないことを利用して、設計対象であるヘッドを作成せずに減衰値を求めることができる。
The mode attenuation value of the modal parameter is calculated by using the attenuation value obtained by the experimental modal analysis and substituting the attenuation value into the wave equation. The obtained attenuation value is used because the attenuation value to be substituted cannot be calculated by calculation in the process of solving the wave equation. Use attenuation values. In this way, by using the fact that there is no significant difference in the attenuation value if the heads have substantially the same volume, the attenuation value can be obtained without creating a head that is a design target.
前記計算モデルに入力する前記ボール打撃時に加振力は、別途、予めコンピュータの解析部で前記計算モデルとボールとの衝突解析を行い、コンピュータの演算部で前記節点に生じる接触反力を求め、該接触反力の時刻歴データをフーリエ変換により周波数領域に変換したものである。
このように加振力の周波数特性も実際の状況にあわせて求めておくことで、実打時のゴルフクラブヘッドに加わる力の周波数特性がヘッド振動に及ぼす影響を考慮することができ、コンピュータの出力部で再生するボール打撃時の打球音の精度を高めることで、精度良い打球音予測を行うことができる。
The excitation force at the time of hitting the ball to be input to the calculation model is separately analyzed in advance by the computer analysis unit and the ball to analyze the collision between the calculation model and the computer calculation unit to determine the contact reaction force generated at the node, The time history data of the contact reaction force is converted into the frequency domain by Fourier transform.
In this way, by determining the frequency characteristics of the excitation force according to the actual situation, the influence of the frequency characteristics of the force applied to the golf club head upon actual hitting on the head vibration can be considered . By increasing the accuracy of the hitting sound at the time of hitting the ball reproduced by the output unit, it is possible to predict the hitting sound with high accuracy.
前記加振力の計算モデルの節点への入力には下記の3つのパターンがある。
(1)ヘッドのフェース面中心部の1節点に加振力を入力する場合
前記衝突解析を実行すると、接触面における全ての節点の接触反力の時刻歴データが出力される。これらを全て加算平均し、その加算平均された時刻歴データをフーリエ変換することにより周波数領域に変換し、フエース中心部の1つの節点に入力する。
(2)フェース面の複数の節点に加振力を入力する場合
フェース面を複数個の領域に予め分けておき、その領域内で加算平均、フーリエ変換を実施し、その領域の中心位置にあたる節点に加振力を入力する。
(3)フェース面に存在する全ての節点における節点反力の時刻歴データを、そのままフーリエ変換し、その情報を境界条件とする。
There are the following three patterns of input to the nodes of the excitation force calculation model.
(1) When excitation force is input to one node at the center of the face surface of the head When the collision analysis is executed, time history data of contact reaction force of all nodes on the contact surface is output. All of these are averaged and the time history data averaged and averaged are converted into a frequency domain by Fourier transform and input to one node in the center of the face.
(2) When the excitation force is input to a plurality of nodes on the face surface The face surface is divided into a plurality of regions in advance, and addition averaging and Fourier transformation are performed in the region, and the node corresponding to the center position of the region Enter the excitation force in.
(3) The time history data of the nodal reaction force at all the nodes existing on the face surface is directly Fourier transformed, and the information is used as a boundary condition.
前記3つのパターンのうち(1)より(2)が実際の打球音に近似した予測ができると共に、(3)はコンピュータ上の演算時間がかかり過ぎる等の点から、本発明では、前記のように(2)の方法を採用している。
よって、前記計算モデル上で、例えば、ボール接触領域は5グループ以上に区分けした領域とし、前記加振力は前記各グループ毎に異なる加振力を入力していることが好ましい。
Wherein with one of the three patterns from (1) (2) we can predict approximate to actual hitting sound, (3) from the viewpoint of too much computing time on a computer, the present invention, as described above have adopted the method of (2).
Therefore, on the calculation model, for example, it is preferable that the ball contact area is an area divided into five groups or more, and the excitation force is input as a different excitation force for each group.
このように、本発明では、コンピュータの操作者が有限要素分割した計算モデルの節点に材料物性値を入力して、コンピュータの解析部における固有値解析から演算部でモーダルパラメータのうちの固有振動数と振動モードを求め、また、解析部における実験モーダル解析から演算部でモーダルパラメータの減衰値を求め、解析部における衝突解析から演算部で加振力を求め、得られた固有振動数、振動モード、減衰値、加振力を、コンピュータの操作者が音響解析ソフトに入力し、該音響ソフトを使用してコンピュータ上で音響解析の演算を行い、コンピュータの出力部から打球音を発生させている。 As described above, in the present invention, the computer operator inputs the material physical property values to the nodes of the calculation model divided into finite elements, and the natural frequency of the modal parameters is calculated from the eigenvalue analysis in the analysis unit of the computer. determined vibration mode, also determine the attenuation values of the modal parameters by the calculation unit from the experimental modal analysis in the analysis unit obtains the excitation force by the arithmetic unit from the crash analysis in the analysis unit, resulting natural frequency, vibration mode, A computer operator inputs the attenuation value and the excitation force to the acoustic analysis software, performs acoustic analysis on the computer using the acoustic software, and generates a hitting sound from the output unit of the computer .
前記計算モデルは連続体要素としていることが好ましい。
この連続体要素を用いると、shell要素を用いる場合よりも細部を表現できるため、十分小さく要素分割すれば、計算精度を向上させることができる。
また、連続体要素の中でも2次要素を用いると高い精度で計算が実施できる。
The calculation model is preferably a continuum element.
When this continuum element is used, details can be expressed more than when the shell element is used. Therefore, if the element is divided sufficiently small, the calculation accuracy can be improved.
Moreover, when a secondary element is used among continuum elements, calculation can be performed with high accuracy.
さらに、発生させる打球音の精度を高めるため、前記計算モデルの内部での音反射率を10%以上98%以下として 前記波動方程式に代入して演算することが好ましい。
例えば、音反射率を100%として計算を行うと、ヘッド内部で生じた共鳴音が外部に聞こえる打球音に影響し、実際の打球音と異なる音になる。よって、実際のゴルフクラブの材質に合わせて音反射率を10%〜98%とすることで、実際の打球音に近い打球音を得ることができる。
Furthermore, in order to increase the accuracy of the hitting sound to be generated, it is preferable that the sound reflectance inside the calculation model is set to 10% or more and 98% or less and substituted into the wave equation for calculation.
For example, when the calculation is performed with the sound reflectance being 100%, the resonance sound generated inside the head affects the hitting sound that can be heard outside, resulting in a sound different from the actual hitting sound. Therefore, by setting the sound reflectance to 10% to 98% according to the actual material of the golf club, it is possible to obtain a hitting sound close to the actual hitting sound.
さらに、発生させる打球音の精度を高めるため、前記音圧の周波数特性から打球音を発生させると共に、この発生させる打球音には、インパクト前の風切り音あるいは/及びインパクト時のゴルフボールから発生する音を合成している
前記方法とすると、ゴルフクラブヘッドから生じる音だけでなく、スウィング時のゴルフクラブシャフトの風切り音やボール自体から生じる音を合成した上で打球音を再生することにより、より実際の打球音に近い条件で評価を行うことができる。
Further, in order to increase the accuracy of the generated hitting sound, the hitting sound is generated from the frequency characteristics of the sound pressure, and the generated hitting sound is generated from the wind noise before impact and / or the golf ball at impact. By synthesizing the sound, it is possible to reproduce not only the sound generated from the golf club head but also the sound of the golf club shaft during the swing and the sound generated from the ball itself, Evaluation can be performed under conditions close to actual hitting sound.
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、ゴルフクラブヘッドの計算モデルについて固有値解析でモーダルパラメータを求めておき、そのモーダルパラメータを基に計算モデルにボール打撃時の加振力を入力することで、打撃時のヘッド振動状況を計算することができる。この振動結果を境界条件として波動方程式を解けば音圧の周波数特性が取得され、打球音をコンピュータ上で再生して聞くことができる。 As is clear from the above description, according to the present invention, a modal parameter is obtained by eigenvalue analysis for a golf club head calculation model, and the excitation force at the time of hitting the ball is input to the calculation model based on the modal parameter. By doing so, it is possible to calculate the head vibration situation at the time of hitting. By solving the wave equation using this vibration result as a boundary condition, the frequency characteristic of the sound pressure is obtained, and the hitting sound can be reproduced and heard on a computer.
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図1のフローチャートに示すように、固有値解析(S1)により得られた計算モデルのモーダルパラメータ(固有振動数、振動モード形状)と、衝突解析(S2)により得られた計算モデルに加える加振力と、実験モーダル解析(S3)から得られた計算モデルの減衰値とをそれぞれ入力として、音響解析(S7)を行うことにより、コンピュータ上でボール打撃時の打球音を再生できるようにしている。
コンピュータは、図1に示すように、固有値解析、衝突解析、実験モーダル解析を行う解析部を備えている。また、前記固有値解析より得られる計算モデルのモーダルパラメータと、衝突解析により得られた計算モデルに加える加振力と、実験モーダル解析から得られた計算モデルの減衰値とを演算し、かつ、これら演算値より再生させる打球音の振動に基づいて音圧の周波数を演算する音響解析部からなる演算部を備えている。さらに、該音響解析で得られた周波数に基づいてボール打撃時の打球音を再生して出力する出力部を備えている。
以下、各ステップについて分説する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in the flowchart of FIG. 1, the modal parameters (natural frequency and vibration mode shape) of the calculation model obtained by the eigenvalue analysis (S1) and the excitation force applied to the calculation model obtained by the collision analysis (S2) And the acoustic model analysis (S7) using the attenuation values of the calculation model obtained from the experimental modal analysis (S3) as inputs, respectively, so that the hitting sound at the time of hitting the ball can be reproduced on the computer.
As shown in FIG. 1, the computer includes an analysis unit that performs eigenvalue analysis, collision analysis, and experimental modal analysis. Further, the modal parameters of the calculation model obtained by the eigenvalue analysis, the excitation force applied to the calculation model obtained by the collision analysis, and the attenuation value of the calculation model obtained by the experimental modal analysis are calculated, and these A calculation unit including an acoustic analysis unit that calculates the frequency of the sound pressure based on the vibration of the hitting sound reproduced from the calculation value is provided. Further, an output unit is provided that reproduces and outputs a hitting sound at the time of hitting the ball based on the frequency obtained by the acoustic analysis.
Below, to the minute theory for each step.
「固有値解析」
まず、図2に示すように、コンピュータ上に市販のプリプロセッサ(HyperMesh等)を使用して、コンピュータの操作者は、打球音を調べたいゴルフクラブヘッドを有限の要素11にメッシュ分割した計算モデル10を作成する。
なお、連続体要素を使用する場合に各要素11の一辺の長さは小さいほど良いが、4面体2次要素を使用する場合には、要素11の一辺の長さは3mm程度で十分な計算精度が得られる。
この計算モデル10に対してABAQUS(ABAQUS INC.製)やMARC(MSC SOFT社製)やIDEAS(EDS PLM Solutions社製)等の固有値解析ソフトウェアを使用して、固有値解析を行うことでモーダルパラメータ(固有振動数、モード形状)を計算する(S4)。
`` Eigenvalue analysis ''
First, as shown in FIG. 2, using a commercially available preprocessor (HyperMesh or the like) on a computer , the computer operator calculates a
In addition, when using a continuum element, the length of one side of each
Modal parameters (by using eigenvalue analysis software such as ABAQUS (manufactured by ABAQUS INC.), MARC (manufactured by MSC SOFT), IDEAS (manufactured by EDS PLM Solutions), etc. The natural frequency and the mode shape are calculated (S4).
本実施形態ではIDEASを使用しており、材料物性値として弾性率と比重を入力し、振動周波数は上限を20kHzまで解析しておく。20kHzとしたのは人間の可聴範囲が20kHzまでだからであるが、上限を12kHz位までとしても打球音の相対比較は可能である。 In this embodiment, IDEAS is used, and the elastic modulus and specific gravity are input as material property values, and the upper limit of the vibration frequency is analyzed up to 20 kHz. The reason why 20 kHz is set is that the human audible range is up to 20 kHz, but relative comparison of the hitting sound is possible even if the upper limit is set to about 12 kHz.
「衝突解析」
ls-dyna(LSTC社製)やPAM-CRASH(ESI社製)等の衝突解析ソフトウェアを使用してボール打撃時のゴルフクラブヘッドの接触反力を計算する。本実施形態ではls-dynaを使用し、コンピュータ上でゴルフボールモデルに前述した計算モデル10のフェース面を初速40m/sで衝突させる。これにより計算モデル10のボールとの接触領域における全ての節点12の反力の時刻歴データが出力される。
この際、フェース面のボールとの接触領域を図4に示すように複数のグループ(領域)G1〜G5に区分けしておき、各グループG1〜G5内の各節点の反力を加算平均した後にフーリエ変換して図3に示すような周波数領域に変換することで、後工程の音響解析において各グループG1〜G5毎の節点に加えるべき加振力を算出する(S5)。
なお、衝突解析で節点反力の時刻歴データを出力する際には、時間刻み幅(サンプリング周波数)に留意する必要がある。つまり、音響解析で20kHzまで計算するのであれば、その約2.2倍以上のサンプリング周波数で節点反力の時刻歴データを出力する。
"Collision analysis"
The contact reaction force of the golf club head at the time of hitting the ball is calculated using collision analysis software such as ls-dyna (LSTC) or PAM-CRASH (ESI). In this embodiment, ls-dyna is used, and the face surface of the
At this time, after the contact area of the face surface with the ball is divided into a plurality of groups (areas) G1 to G5 as shown in FIG. 4, the reaction forces of the nodes in the groups G1 to G5 are added and averaged. By applying the Fourier transform to the frequency domain as shown in FIG. 3, the excitation force to be applied to the nodes for each of the groups G1 to G5 is calculated in the acoustic analysis in the subsequent process (S5).
When outputting the time history data of the nodal reaction force in the collision analysis, it is necessary to pay attention to the time increment (sampling frequency). That is, when calculating up to 20 kHz by acoustic analysis, the time history data of the nodal reaction force is output at a sampling frequency of about 2.2 times or more.
「実験モーダル解析」
音響解析で入力する減衰値を計算で求めることはできないので、実験により求める。一番理想的なのは、ゴルフクラブヘッドの実物を実験モーダル解析し、各共振周波数における減衰値を求めることであるが、この方法では実物が存在しないと減衰値が求められない。そこで、既に存在する実物ヘッドのうち打球音を調べたい計算モデル10とおおよそ同じ体積のヘッドで実験モーダル解析を実施し、10kHzまでの各共振周波数における減衰値の平均値を取得する(S6)。
実験モーダル解析では、計測で得られた伝達関数に理論式モデルの伝達関数を当てはめて、カーブフィットにより減衰値を求めている。カーブフィットの方法には、SDOF法、MDOF法等があるが、本実施形態ではMDOF法のうちのポリ・リファレンス法を用い、実験で求めた伝達関数とカーブフィットで求めた理論式を用いた伝達関数とを見比べ、カーブフィットが正しくできていることを確認してから、その減衰値を用いている。
"Experimental Modal Analysis"
Since the attenuation value input in acoustic analysis cannot be obtained by calculation, it is obtained by experiment. The most ideal is to conduct an experimental modal analysis of the actual golf club head and obtain the attenuation value at each resonance frequency. However, with this method, the attenuation value cannot be obtained if there is no actual object. Therefore, an experimental modal analysis is performed with a head having approximately the same volume as that of the
In the experimental modal analysis, the transfer function of the theoretical model is applied to the transfer function obtained by measurement, and the attenuation value is obtained by curve fitting. The curve fitting method includes an SDOF method, an MDOF method, etc. In this embodiment, a poly-reference method of the MDOF method is used, and a transfer function obtained by experiment and a theoretical formula obtained by curve fitting are used. After comparing with the transfer function and confirming that the curve fit is correct, the attenuation value is used.
「音響解析」
SYSNOISE(LMS International社製)やRAYON(ESI社製)の音響解析ソフトウェアを使用して、ボール打撃時の打球音の周波数特性を解析する。本実施形態ではRAYONを使用し、固有値解析で求めた固有振動数およびモード形状、実験モーダル解析で求めた減衰値を入力し、衝突解析で求めた加振力をゴルフクラブヘッドの計算モデルのフェース面の節点に入力する。
なお、音響解析用の計算モデルは固有値解析の計算モデル10と共用しても良いが、固有値解析を実施する際に十分な精度が得られるための要素分割の細かさの程度は、一般には音響解析よりも細かい場合が多いので、固有値解析時の計算モデル10の方を細かく要素分割しておくことが好ましい。
"Acoustic analysis"
Analyzes the frequency characteristics of the hitting sound when hitting the ball using the acoustic analysis software of SYSNOISE (manufactured by LMS International) and RAYON (manufactured by ESI). In this embodiment, RAYON is used, the natural frequency and mode shape obtained by eigenvalue analysis, the attenuation value obtained by experimental modal analysis are input, and the excitation force obtained by collision analysis is input to the face of the golf club head calculation model. Enter the node of the face.
The calculation model for acoustic analysis may be shared with the
衝突解析では図4に示す5つに分けた各グループG1〜G5内に含まれる節点反力の全てを加算して加振力として求めておき、音響解析において計算モデルのフェース面に加振力を加える際には、各グループG1〜G5の中心に一番近い代表節点に前記加振力を入力する。
この加振力の入力による計算モデルの振動結果を境界条件とし、境界要素法により波動方程式を解いて音圧を算出する。
In the collision analysis, all the nodal reaction forces included in each of the five groups G1 to G5 shown in FIG. 4 are added to obtain an excitation force, and the excitation force is applied to the face of the calculation model in the acoustic analysis. Is added to the representative node closest to the center of each of the groups G1 to G5.
The sound pressure is calculated by solving the wave equation by the boundary element method using the vibration result of the calculation model by the input of the excitation force as the boundary condition.
音響問題における空間内の音圧を支配する波動方程式(Helmholtz)を、数式1に示す。
音響問題における境界条件は、以下の数式2および数式3で表される。
なお、この加振力の入力による計算モデルの振動結果を境界条件とする際には、境界を構成している節点の粒子速度νが入力条件となる。また、音響媒質の密度ρは1.2kg/m3として計算する。
The boundary conditions in the acoustic problem are expressed by the following
In addition, when the vibration result of the calculation model by inputting this excitation force is used as the boundary condition, the particle velocity ν of the nodes constituting the boundary is the input condition. Further, the density ρ of the acoustic medium is calculated as 1.2 kg / m 3 .
前記した音響問題の波動方程式を境界要素法で解くために積分方程式に変換すると、数式4のように表される。
したがって、領域内における音圧は、数式6で表される。
音響解析ソフトウェアRAYONで以上のような処理を行うことで、観測点における音圧の周波数特性が計算される。この際、人間の可聴範囲は20kHzまでであるので、上限は20kHzまで解析しておくことが好ましい。 By performing the above processing with the acoustic analysis software RAYON, the frequency characteristics of the sound pressure at the observation point are calculated. At this time, since the human audible range is up to 20 kHz, the upper limit is preferably analyzed up to 20 kHz.
次いで、この出力結果の音圧をMatlab(MathWorks社製)等の市販ソフトウェアを用いて逆フーリエ変換して時間領域に変換することで、コンピュータ上で実際の打球音として再生して聞くことができる。この際、ヘッドの打球音に加えて、スウィング時のゴルフクラブシャフトの風切り音と、ボール自体から生じる音とを合成した上で打球音をコンピュータの出力部で再生することで実打時の打球音に近い音が再現できる。なお、音の合成には前記Matlab等のソフトウェアで実施可能である。 Next, the sound pressure of this output result can be reproduced and heard as an actual hitting sound on a computer by performing inverse Fourier transform using the commercially available software such as Matlab (MathWorks) and converting it into the time domain. . At this time, in addition to the head hitting sound, the wind hitting sound of the golf club shaft at the time of swing and the sound generated from the ball itself are synthesized, and the hitting sound is reproduced at the output unit of the computer, so that the hitting ball at the time of actual hitting Sound close to the sound can be reproduced. Note that sound synthesis can be performed by software such as Matlab.
なお、本実施形態では加振力の計算モデルへの入力方法として、ヘッドのフェース面のうちボールとの接触領域をグループ分けして行っているが、変形例として下記のような方法で行ってもよい。 In this embodiment, as an input method to the excitation force calculation model, the contact area with the ball on the face surface of the head is grouped. However, as a modified example, the following method is used. Also good.
第1の変形例としては、フェース面の中心部の1つの節点に加振力を加える方法がある。詳しくは、衝突解析を実行すると、接触領域における全ての節点における節点反力の時刻歴データが出力されるが、それらを全て加算平均した時刻歴情報をフーリエ変換して周波数領域に変換し、計算モデルのフェース面中心に一番近い代表節点に入力する。
第2の変形例としては、フェース面に存在する全ての節点における接触反力の時刻歴データをそのままフーリエ変換して周波数領域にし、その情報を音響解析の計算モデルの各節点にそのまま入力する。
As a first modification, there is a method of applying an excitation force to one node at the center of the face surface. Specifically, when collision analysis is performed, the time history data of the nodal reaction force at all nodes in the contact area is output, but the time history information obtained by averaging all of them is Fourier transformed to the frequency domain and calculated. Enter the representative node closest to the center of the face of the model.
As a second modification, the time history data of the contact reaction force at all the nodes existing on the face surface is directly Fourier transformed into the frequency domain, and the information is directly input to each node of the acoustic analysis calculation model.
以下、表1に基づいて実施例と比較例について説明する。
(実施例1)
実施例1では、音響解析において計算モデルに加振力を入力する際に、前述したように図4に示す5つのグループG1〜G5に分けた各領域内の節点に分散してそれぞれ加振力を入力している。また、前述のように加振力は衝突解析結果で取得されたものを使用した。音反射率は90%、減衰値は0.3%とし、計算モデルは4面体2次要素とした。なお、図5は実施例1の打球音の時刻と周波数との関係を示すグラフであり、ヘッドの打球音に加えて、スウィング時のゴルフクラブシャフトの風切り音と、ボール自体から生じる音とを合成したものである。
Example 1
In the first embodiment, when the excitation force is input to the calculation model in the acoustic analysis, as described above, the excitation force is distributed to the nodes in each region divided into the five groups G1 to G5 shown in FIG. Is entered. Further, as described above, the excitation force obtained from the collision analysis result was used. The sound reflectance was 90%, the attenuation value was 0.3%, and the calculation model was a tetrahedral quadratic element. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the time and frequency of the hitting sound of Example 1. In addition to the hitting sound of the head, the wind noise of the golf club shaft during the swing and the sound generated from the ball itself are shown. It is synthesized.
(実施例2)
実施例2では音響解析において計算モデルに加振力を入力する際に、クラブのフェース面のうちボールとの接触領域の節点全部に同一の加振力を入力した。他の条件は実施例1と同様である。
(Example 2)
In Example 2, when the excitation force was input to the calculation model in the acoustic analysis, the same excitation force was input to all the nodes of the contact area with the ball on the face surface of the club. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例1)
比較例1では音響解析において計算モデルに加振力を入力する際に、前述した第1の変形例のように、全節点の接触反力を加算して加振力とし、クラブのフェース面のうちボールとの接触領域の中心に位置する1つの節点に代表して加振力を入力した。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 1)
In the first comparative example, when the excitation force is input to the calculation model in the acoustic analysis, the contact reaction force of all the nodes is added to obtain the excitation force as in the first modification described above. The excitation force was input on behalf of one node located at the center of the contact area with the ball. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例2)
比較例2では加振力として矩形波(パルス幅1ms、1N)を与えた。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a rectangular wave (pulse width 1 ms, 1N) was applied as the excitation force. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例3)
比較例3では音響解析の際の音反射率の設定を100%とした。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, the setting of the sound reflectance during acoustic analysis was set to 100%. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例4)
比較例4では音響解析の際の減衰値の設定を0.1%とした。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, the attenuation value setting for acoustic analysis was set to 0.1%. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例5)
比較例5では音響解析の際の音反射率の設定を0%とした。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, the setting of the sound reflectance at the time of acoustic analysis was set to 0%. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例6)
比較例6では音響解析の際の計算モデルを4面体1次要素で要素分割した。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 6)
In Comparative Example 6, the calculation model for acoustic analysis was divided into elements with tetrahedral primary elements. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(比較例7)
比較例7では音響解析の際の計算モデルをshell要素で要素分割した。他の条件は実施例1と同様である。
(Comparative Example 7)
In Comparative Example 7, the calculation model for acoustic analysis was divided into elements using shell elements. Other conditions are the same as in the first embodiment.
(考察)
前記した各実施例および各比較例について音響解析結果の打球音をコンピュータ上で再生したところ、表1に示すように、実施例1および実施例2については比較例1〜7に比べて実打時の音と似た音が再現されていることが確認できた。
(Discussion)
When the hitting sound of the acoustic analysis result for each of the above-described examples and comparative examples was reproduced on a computer, as shown in Table 1, the actual hits for Example 1 and Example 2 were compared to Comparative Examples 1-7. It was confirmed that a sound similar to the sound of the time was reproduced.
本発明の打球音予測方法は、特にゴルフボールをゴルフクラブで打撃する際に発生する打球音の予測に好適に用いられるが、ゴルフの打球音に限定されず、例えば野球でバットでボールを打撃する際のスポーツの用途に用いられる。さらに、スポーツ用具の打撃具での打撃に限定されず、例えば、ハンマー等の打撃具で壁や床を打撃する際に発生する打撃音等の打撃時に発生する音の予測にも用いることも可能である。 The hitting sound prediction method of the present invention is particularly suitable for predicting the hitting sound generated when hitting a golf ball with a golf club, but is not limited to the hitting sound of golf, for example, hitting the ball with a bat in baseball Used for sports when doing. Furthermore, the present invention is not limited to hitting with a hitting tool of sports equipment, and can be used for predicting sounds generated when hitting, such as hitting sound generated when hitting a wall or floor with a hitting tool such as a hammer. It is.
10 計算モデル
11 要素
12 節点
G1〜G5 グループ
10
Claims (5)
前記コンピュータは、
固有値解析により有限要素に分割された計算モデルのモーダルパラメータを計算し、衝突解析により前記計算モデルに加える加振力を計算し、実験モーダル解析により前記計算モデルに加える減衰値の計算を行う解析部と、
上記モーダルパラメータ、上記加振力及び上記減衰値から、再生させる音圧の周波数特性を演算して音響解析する演算部と、
前記演算部から取得した音圧の周波数特性でボール打撃時の打球音を再生して出力する出力部を備え、
操作者の指示により、前記コンピュータ上で、前記打撃部を有限要素に分割した計算モデルが作成されると共に、これら分割した各要素に材料物性値が入力され、かつ、前記計算モデル上でボール接触領域を複数の領域に区分けされ、
前記コンピュータの解析部で、固有値解析により、前記計算モデルの固有振動数、固有振動モードからなるモーダルパラメータを算出し、かつ、ボール打撃時に前記打撃部に加えられる加振力を、衝突解析により求めた各節点の反力を用い、前記複数の領域内の各節点の反力を加算した後にフーリエ変換して周波数領域へ変換し、該周波数領域における加振力を前記計算モデル上で前記領域の中心位置にあたる節点に入力し、
前記コンピュータの演算部で、音響解析により、前記モーダルパラメータ、上記加振力及び上記減衰値に基づき、ボール打撃時に生じる打撃部の振動結果を得て、前記振動結果を境界条件として、下記の波動方程式により演算して、打撃時に発生する音圧の周波数特性を得ることを特徴とする打球音予測方法。
The computer,
An analysis unit that calculates modal parameters of a calculation model divided into finite elements by eigenvalue analysis, calculates an excitation force applied to the calculation model by collision analysis, and calculates an attenuation value to be applied to the calculation model by experimental modal analysis When,
A calculation unit that calculates a frequency characteristic of a sound pressure to be reproduced from the modal parameter, the excitation force, and the attenuation value to perform acoustic analysis;
An output unit that reproduces and outputs a hitting sound at the time of hitting a ball with a frequency characteristic of sound pressure acquired from the calculation unit,
The instruction of the operator, on the computer, with calculation model divided the hitting portion finite element is created, material property value to each and these divided elements are input, and ball contact on the calculation model The area is divided into multiple areas,
The analysis unit of the computer calculates modal parameters including the natural frequency and natural vibration mode of the calculation model by eigenvalue analysis, and obtains the excitation force applied to the hitting unit at the time of hitting the ball by collision analysis. Using the reaction force of each node, the reaction force of each node in the plurality of regions is added, and then subjected to Fourier transform and converted to the frequency region, and the excitation force in the frequency region is calculated on the calculation model in the region. Enter the node corresponding to the center position,
In operation of the computer, the acoustic analysis, the modal parameters, based on the exciting force and the damping values to obtain a vibration result of the striking portion generated during ball striking, as a boundary condition in front Kifu dynamic results, under A hitting sound prediction method characterized by obtaining a frequency characteristic of sound pressure generated at the time of hitting by calculating the wave equation.
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