ノッキング判定方法及び装置
【課題】ノックを定量的に判定できるとともに、聴感による評価と同等の結果を得ることができるノッキング判定方法及び装置を提供する。
【解決手段】ノッキング判定装置１０は、エンジン音を検出するセンサ１４と、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、背景音に対する比としてノック強度を算出し、算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定するプロセッサ１６と、を備える。
【解決手段】ノッキング判定装置１０は、エンジン音を検出するセンサ１４と、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、背景音に対する比としてノック強度を算出し、算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定するプロセッサ１６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はノッキング判定方法及び装置に係り、特にエンジン試験装置においてエンジンのノッキングを判定するノッキング判定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノッキング（またはノック）とは、エンジンのシリンダ内において未燃焼ガスが燃焼ガスにより圧縮されて自己着火し、急速に燃焼して共鳴する現象であり、ノッキングが発生すると、燃焼ガスが振動により熱伝播しやすくなり、エンジンが破損するおそれがある。ノッキングを抑制するには点火時期を遅くする必要があるが、点火時期を遅くすると燃費が低下するという問題があるため、ノッキングの発生を正確に計測して判定することが必要になる。
【０００３】
ノックの判定方法としては、聴感評価が広く用いられている（たとえば特許文献１参照）。これは試験者が実際にエンジンの運転音を聞き、その中の異音の大きさ及び発生頻度を聞き分け、ノック状態を評価する方法である。しかし、聴感評価は試験者や試験環境によるバラつきが大きく、再現性が低いという問題がある。特に、微弱な音、高周波の音、瞬間的な音を聞き取れるかどうかは、個人の聴力や経験によるところが大きく、熟練者でなければ正確に聞き分けることは難しい。そのため、聴感評価をできる人間は限られているのが現状である。また、聴感評価は、試験者によるので、自動ノック制御システムや自動適合計測システムに適用することができないという問題がある。
【０００４】
そこで近年では、ノック判定を定量的に行うため、筒内圧計測による手法が広く用いられている（たとえば特許文献２参照）。この手法は、筒内の圧力を計測し、その筒内圧力信号に様々な信号処理を施すことによって、ノックの判定を行う方法である。たとえば、取得した筒内圧力信号にフィルタをかけてノックの固有振動成分を取得し、さらにノックが発生するクランク角度範囲の波形を切り出し、その最大振幅や振幅の２乗平均、２乗積分などといった代表値を求め、これをノック指標とする。これにより、定量的なノック判定が行われる。
【０００５】
別の定量的なノック判定方法として、振動センサによる方法がある（たとえば特許文献３参照）。これは、実車に搭載されるシステムであり、振動センサをクランクケースに取り付けて振動を計測し、その振動計測信号に様々な信号処理を施すことによってノック判定を行う方法である。たとえば、振動計測信号をフィルタにかけてノックの固有振動成分を取得し、さらにノックが発生するクランク角度範囲の波形を切り出し、その絶対振幅の平均などの代表値を求め、これをノック指標とする。これにより、定量的なノック判定が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３２６７５
【特許文献２】特開２０００−１１０６５２
【特許文献３】特許３０５４９１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した２つの手法は、その判定結果が聴感評価の結果と一致しないため、聴感評価による較正が必要になるという問題がある。たとえば、筒内圧計測による手法は、機械系の騒音が計測から除外されているため、計算結果が聴感評価の結果と合致せず、結局は聴感評価によってノック音の発生の閾値を決めることが必要となる。一方、振動センサによる手法は、振動の計測値に含まれる機械振動の成分が運転条件や個別のエンジンによって異なるため、ノック音の発生に相当する振幅値の閾値を条件毎に聴感評価によって較正する必要がある。
【０００８】
さらに別の欠点として、筒内圧計測による手法は、高価な筒内圧センサが気筒の数だけ必要になり、コストがかかるという問題や、ノックの固有周波数や使用するフィルタについて事前の調査が必要となるという問題がある。一方、振動センサによる手法は、固有周波数やフィルタに関する調査が必要になるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、ノックを定量的に判定できるとともに、聴感による評価と同等の結果を得ることができるノッキング判定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、エンジン音を検出するセンサと、前記センサで得られた信号に対して、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、該背景音のパワーに対するパワー比をノック強度として算出する算出手段と、前記算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とするノッキング判定装置を提供する。
【００１１】
本発明によれば、人間の聴覚で行われる処理と同様に、時間マスク処理と周波数マスク処理を行うようにしたので、聴感評価と同等の結果を得ることができるとともに、信号処理による定量的なノック判定を行うことができる。
【００１２】
請求項２の発明は請求項１において、前記算出手段は、前記時間マスク処理を施した背景音のパワーと、前記周波数マスク処理を施した背景音のパワーとを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによって、前記パワー比を算出することを特徴とする。本発明によれば、時間マスク処理を施した背景音のパワーと周波数マスク処理を施した背景音のパワーのうち大きい方を用いてパワー比を求めたり、パワー比が閾値を超える頻度を求めてノックの有無を判定したので、人間の聴覚に非常に近い結果を得ることができる。
【００１３】
請求項３の発明は請求項２において、前記算出手段は、前記センサで得られた信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、該周波数帯域ごとに前記パワー比を算出し、該算出したパワー比のうち最も大きい値を選択して前記ノック強度とすることを特徴とする。本発明によれば、最もパワー比の大きいものを選択することによって、人間の聴覚に非常に近い結果を得ることができる。
【００１４】
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記ノック強度に対して残響音の強度を付加し、所定の周波数の振動を与えることによって、擬似ノック音の音声信号を作成する擬似ノック音生成手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、ノック強度に残響を付加し、周波数振動を与えるので、聴感評価を行い易い擬似ノック音が生成される。したがって、個人差が生じることなく確実に聴感評価を行うことができる。また、定量的な評価と聴感評価を同時に行うことができるので、評価の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
請求項５の発明は前記目的を達成するために、エンジン音を検出し、前記検出した信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、前記抽出した周波数帯域ごとに、直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを求めるとともに、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによってパワー比を求め、前記周波数帯域ごとに求めたパワー比のうち、最も大きい値をノック強度として設定し、前記設定したノック強度に基づいて、ノックの有無を判定することを特徴とするノッキング判定方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、人間の聴覚で行われる処理と同様に、時間マスク処理と周波数マスク処理とを行うようにしたので、聴感評価と同等の結果を得ることができるとともに、信号処理による定量的なノック判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態のノッキング判定装置の構成を模式的に示す図
【図２】本実施の形態のノッキング判定装置の制御フローの概略図
【図３】図２のノック強度算出フローとノック判定フローの詳細を示す図
【図４】周波数の抽出に関する説明図
【図５】信号波形とパワーの一例を示す図
【図６】遅延補正の説明図
【図７】聴感Ａ特性の説明図
【図８】時間マスク効果の説明図
【図９】ノック判定の説明図
【図１０】図２の擬似ノック音の出力フローの詳細を示す図
【図１１】擬似ノック音の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面に従って、本発明に係るノッキング判定方法及び装置の好ましい実施形態について説明する。本発明のノッキング判定方法及び装置は、人間の聴感評価と同等のノック判定結果を得るための装置であり、その作用を効果的に説明するため、まずは人間の聴覚の働きについて説明する。
【００１９】
エンジン音を聴覚で感じる際、エンジン音は耳かいから外耳道を通り、鼓膜、耳小骨を振動させ、蝸牛に到達する。蝸牛は径が一定でない渦巻き状に形成されており、周波数毎に異なる部分で反応するので、エンジン音は周波数によって分割されて伝達される。その際、過去の音の残響によって現在の音が部分的にかき消される効果（時間マスク効果）と、隣の音域の音によって部分的にかき消される効果（周波数マスク効果）を受ける。時間マスク効果とは、人間の聴覚神経が励起された状態から沈静化するのにある程度の時間を要することにより、その間の聴覚が妨げられる効果であり、音が鳴り終えた直後だけでなく、音が鳴り始める直前にもマスク効果が発生する。一方、周波数マスク効果とは、近隣音域の音を聴覚する神経同士が近接して存在することによって、近隣周波数の聴覚が妨げられる効果である。
【００２０】
これら二つのマスク効果によってかき消されることなく残った音が聴覚神経を励起する。ここで、マスク効果による励起状態に相当する音を背景音と定義し、残った音を特異音とする。ノッキング音は、背景音に対して特異音が大きい場合に認識される。また、音域別にそれぞれ聴覚した音の中で特異性が最大の音が代表的に認識される。ここで、最も特異性が高い音が観測される周波数は、ノックの固有振動数に一致するとは限らず、実際のノック音では、一般にノッキングと表現されるようなカンカンという固有周波数の音よりも、広い周波数範囲を持つチリチリという撥音の方が支配的である。特にトレースノック状態においては、前者の音は殆ど観測されない。固有周波数の音はシリンダ内の定在波から発生し、撥音はシリンダ内の急激なステップ的圧力上昇から発生するものと考えられる。このようなノック音を聴くとき、特異性の高い音はより広い周波数範囲で観測される可能性がある。
【００２１】
観測者は、特に大きな異音を聞いたとき、それをノックと判断し、その発生頻度をカウントする。そして、ノック音の大きさと発生頻度から主観的に判断して、ノックが定常的に発生している状態か否か、もしくはノック状態のレベルがいくつかを評価している。
【００２２】
次に本実施の形態のノッキング判定装置１０の構成について図１に基づいて説明する。図１に示すノッキング判定装置１０はエンジン１２のノッキングを判定する装置であり、主としてセンサ１４、プロセッサ１６、スピーカ１８、表示器２０で構成される。
【００２３】
センサ１４は、エンジン音を検出するためのマイクであり、エンジン１２の近傍に設置される。なお、センサ１４はマイクに限定されるものではなく、音圧を求めることができるものであればよい。たとえば、単位換算を行う処理装置と組み合わせることにより、振動センサを用いてもよい。この場合、振動センサはエンジン１２に直接取り付けるとよい。
【００２４】
センサ１４はアンプ２２及びAＤ変換２４を介してプロセッサ１６に接続される。センサ１４の検出信号は、アンプ２２で増幅され、ＡＤ変換２４でデジタル信号に変換され、プロセッサ１６に入力される。
【００２５】
プロセッサ１６は、後述の各種信号処理を行う装置であり、表示器２０に接続されている。表示器２０は、プロセッサ１６で求めたノック強度、ノック判定結果などをリアルタイムで表示する装置であり、必要に応じて計測条件等も表示される。なお、ノック強度やノック判定結果を記録媒体２８に出力し、記録媒体２８に記録してもよい。さらに、不図示のプリンタ等に出力し、印字するようにしてもよい。
【００２６】
プロセッサ１６は、ＤＡ変換２６を介してスピーカ１８に接続される。スピーカ１８は、プロセッサ１６で生成した擬似ノック音信号を音として出力する装置であり、このスピーカ１８から観測者に向けて擬似ノック音がリアルタイムで再生される。
【００２７】
次にプロセッサ１６で行われる各種信号処理について図２に従って説明する。図２は、プロセッサ１６の大まかな制御フローを示している。同図に示すように、プロセッサ１６は、まず、ノック強度を算出する（ステップＳ１）。ここで、ノック強度とは、エンジン音の中でノックと認識される音の大きさを示す値であり、後述するように、背景として存在する音（以下、背景音）のパワーと特異的に変化する音（以下、特異音）のパワーとの比率で与えられる。
【００２８】
次に、算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する（ステップＳ２）。また、算出したノック強度に基づいて擬似ノック音の信号を生成し、スピーカ１８から擬似ノック音を出力する（ステップＳ３）。以下に各フローを具体的に説明する。
【００２９】
上述のノック強度算出フロー（ステップＳ１）とノック判定フロー（ステップＳ２）の詳細を図３に示す。同図に示すように、プロセッサ１６はまず、入力信号を複数の周波数帯域に分離する（ステップＳ１１）。その際、複数のバンドパスフィルタを用いて分離するとよい。また、分離する周波数帯域のバンド幅やバンド数は、特に限定するものではないが、たとえば図４に示すように定義するとよい。すなわち、特異音の検出精度とプロセッサ１６の演算負荷の兼ね合いからバンド幅を１／６Octaveに定義するとともに、そのバンド幅で４ｋＨｚ ~２０Ｈｚ範囲を１５分割し、さらにその中間に位置してオーバーラップする１４バンドを加え、計２９バンドとして定義する。なお、約１０ｋＨｚ以上の高周波の音は人間にとって聞こえにくい音なので、場合によっては無視してもよい。
【００３０】
以下のステップＳ１２からステップＳ１８までの処理は、分離した周波数帯域ごとに行い、リアルタイムで同時に算出する。まず、分離した信号を２乗平均し、音のパワーを算出する（ステップＳ１２）。算出した音のパワーの一例を図５に示す。図５の上段はある音の信号の波形であり、図５の下段はそれを２乗平均したパワー波形である。２乗平均を求めるにあたって平均幅は、平均化演算によってピークが消されないように、できるだけ小さく設定することが好ましく、たとえばバンド中心周波数の５波長分に設定される。
【００３１】
次に、ステップＳ１１で分離した周波数帯域間での同期を取るため、遅延補正処理を行う（ステップＳ１３）。上述したバンドパスフィルタは図６に示すように、それぞれ固有の遅延を持っており、入力信号の変動に対応する各バンドのパワーのピークはそれぞれ別の時刻に現れる。そこで、各バンドの信号に対してバンド別の補正遅延をかけることで、ピークの発生時刻を同期させる。
【００３２】
次に、聴感A特性をかける（ステップＳ１４）。具体的には、図７に示すような特性の減衰率を掛けることによって、聴感に対応するパワーを求める。
【００３３】
次に、時間マスク効果を算出する（ステップＳ１５）。時間マスク効果は音の時間変化から求めることができる。すなわち、音が大きくなるときは背景音のパワーが一定の一次遅れで追従するとして近似でき、音が小さくなるときは背景音のパワーが一定の減衰率で減衰するとして近似できる。そこで、以下の式１に基づいて背景音のパワーＭｔ［Ｐａ２］を算出する。
【００３４】
【数１】
上記の式１において、Ｍｔ：時間マスクのパワー［Ｐａ２］、Ｍ：背景音のパワー［Ｐａ２］、Ｓ：音のパワー［Ｐａ２］、ｎ：サンプル番号、Δｔ：サンプリング時間［sec］、ａ：一次遅れ時定数［sec］、ｂ：減衰率［sec−１］とする。ただし、Ｍｔ（ｎ−１）＞Ｓ（ｎ）、且つ、Ｍｔ（ｎ）＜Ｓ（ｎ）となった場合は、Ｍｔ（ｎ）＝Ｓ（ｎ）とする。
【００３５】
上記の式１において、指数のａ、ｂは実験等によって求めるとよい。その実験としては、たとえば６０ｄＢの音をＴ秒間発生させた後、８０ｄＢのパルス音を０．０１秒間発生させた場合について、単独でパルス音を発生させた場合と比較し、何ｄＢの単独パルス音と同じに聞こえるかを求める。また、６０ｄＢの音の発生を停止させた後、Ｔ秒後に６０ｄＢのパルス音を０．０１秒間発生させた場合について、単独でパルス音を０．０１秒間発生させた場合と比較し、何ｄＢの単独パルス音と同じに聞こえるかを求める。以上の実験を、Tを変えながら繰り返し行い、マスク効果の変化を調べる。本発明者による試験では、音量や周波数が異なる場合について実験を行った結果、ａは約０．００５、ｂは約２３．０４を得た。ただし、この値は一例であり、特に限定するものではない。
【００３６】
なお、本実施の形態は、直前の音によるマスク効果（Post-Masking)のみを求め、直後の音によるマスク効果（Pre-Masking）を行わない例である。ただし、これに限定するものではなく、直後の音によるマスク効果を扱うようにしてもよい。
【００３７】
次に周波数マスク効果を算出する（ステップＳ１６）。周波数マスク効果の算出方法は、たとえばラウドネスの計算用チャートを利用する。このチャートの利用に関しては、対象となる条件を限定するとよい。たとえば解析対象の周波数範囲を４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、音量の範囲を４０〜１００ｄＢに限定し、計測室は反響があるものとする。このような前提において、背景音のパワーは周波数差（対数スケール）が開くに連れて一定の減衰率で減衰すると近似し、より低い周波数に対しては、マスク効果は無いものとして扱う。そこで、以下の式２に基づいて背景音のパワーＭｆ［Ｐａ２］を算出する。
【００３８】
【数２】
上記の式２において、Ｍｆ：周波数マスクのパワー［Ｐａ２］、Ｍ：背景音のパワー［Ｐａ２］、ｆ：周波数［Ｈｚ］、ｆ0：マスク効果の原因となる周波数［Ｈｚ］、ｃ：オクターブ差に対する減衰率とする。ただし、最低周波数のバンドにおいては、Ｍｆ＝０とする。また、指数のｃは、ｄＢスケールにおける減衰量を２４ｄＢ／ Octaveと近似し、ｃ =５．５２１５とする。
【００３９】
次に背景音のパワーを算出する（ステップＳ１７）。具体的には、ステップＳ１５で求めた時間マスクによる背景音のパワーと、ステップＳ１６で求めた周波数マスクによる背景音のパワーのうち、大きい方を背景音のパワーとして設定する。なお、求めた背景音のパワーを隣接する周波数帯域での周波数マスク効果の算出に利用するとよい。
【００４０】
次に、求めた背景音のパワーを用いて音全体のパワーを除算し、パワー比を算出する（ステップＳ１８）。具体的には、マスク効果を算出する前の音全体のパワーを、ステップＳ１７で求めた背景音のパワーで割り、結果が1より小さかった場合は1に補正する。このようにして求めたパワー比の一例を図８に示す。図８の上段は、音全体のパワーの時間波形と背景音のパワーの時間波形を示しており、図８の下段はパワー比の時間波形を示している。なお、以上のステップＳ１２からステップＳ１８までの処理は、それぞれの周波数帯域で同時に算出する。これにより、全ての周波数帯域でパワー比が算出される。
【００４１】
次に、それぞれの周波数帯域で求めたパワー比のなかで、最大値を取得する（ステップＳ１９）。これをノック強度とする。ノック強度とは、背景音を1に規格化したときの、音のパワー波形を意味している。
【００４２】
次に、求めたノック強度をｄＢスケールに換算する（ステップＳ２０）。ｄＢスケールは、1を基準として算出する。これは、特異音のｄＢ音量そのものに相当する。以下、ノック強度のｄＢ換算値をノックｄＢ強度という。なお、図３の制御フローでは省略したが、ノック強度またはノックｄＢ強度を必要に応じて表示器２０に出力して表示するとよい。
【００４３】
次に、ノックｄＢ強度を閾値と比較する（ステップＳ２１）。ここで、閾値とは試験者の聴感的な判断基準に相当し、個人差はあるが、典型的にはおよそ１０ｄＢとする。ただし例外として、聴感的にノック音と区別のつかないな何らかの音が機械系から発生している場合には、その音よりも大きなノック音が発生しないと人間には判別ができないので、ノック判定の閾値もより大きく設定する必要がある。また、聴感に基づいて閾値の再設定を行う際は、後述の擬似ノック音を参照するとよい。なお、センサ１４の設置位置や種類（たとえば指向性マイク等）を閾値と合わせて変更するようにしてもよい。
【００４４】
このように設定した閾値をノックｄＢ強度が上回っている場合、瞬間的なノック状態と判定する。図９は、トレースノック状態におけるノックｄＢ強度の時間波形と、ノック発生の判定結果を示している。同図に丸で示した部分は、ノックｄＢ強度が閾値を超えており、瞬間的なノック状態と判断できる。
【００４５】
次に、一定時間内に瞬時的なノック状態にあった時間をカウントし、ノック頻度を求め（ステップＳ２２）、そのノック頻度を閾値と比較する（ステップＳ２３）。この閾値は聴感に基づいて任意に決定する。ノック頻度が閾値を上回っているとき、定常的なノック状態にあると判定する。この結果は、人間による聴感評価の結果に相当し、以上によってノック判定が終了する。求めたノック判定の結果は必要に応じて表示器１６に出力するとよい。なお、本実施の形態では、パワー比が閾値を超える頻度によってノックの有無を判定したが、ノック判定の方法はこれに限定するものではなく、ノック強度を利用した様々な判定方法が可能である。たとえば、ノック強度の４乗平均値などの統計量を閾値と比較してノック判定を行ってもよい。
【００４６】
次に、図１０に示す擬似ノック音の出力フローを行う。擬似ノック音の出力フローでは、まず、ノック強度を増幅する（ステップＳ３１）。たとえば増幅率をｄとして、ノック強度をｄ乗する。これはノックｄＢ強度をｄ倍することに等しい。増幅率ｄは、出力する擬似ノック音が聞き取りやすくなるような値を任意に設定すればよく、たとえばｄ＝４に設定される。これにより、ノック強度を増幅したパワー波形が得られる。
【００４７】
次に、増幅したノック強度について一定の減衰率で減衰する残響を付加する（ステップＳ３２）。具体的には、以下の式３で示す演算処理を行う。
【００４８】
【数３】
上記の式３において、Ｒ：残響を付加した信号、Ｋ：増幅されたノック強度、ｎ：サンプル信号、Δｔ：サンプリング時間［sec］、ｒ：残響の減衰率［sec−１］とする。ただし、Ｒ(n-1)＞Ｋ(n)且つＲ(n)＜Ｋ(n)となった場合は、Ｒ(n)＝Ｋ(n)とする。
【００４９】
残響を付与することによって、擬似ノック音のパワー信号が得られる。たとえば図１１の中段のノック強度を増幅して残響を付与することによって、図１１の上段で示す信号が得られる。これにより、瞬間的な音がより持続して聞こえるパワー波形となるので、出力した音が聞き取りやすくなる。なお、残響が小さすぎると効果が得られず、大きすぎると別時刻のノック音の聴覚を妨げるので、残響率ｒは数百程度の適切な値、たとえばｒ＝５００に設定する。
【００５０】
次にパワー波形の平方根を取り、実効値を求めた後（ステップＳ３３）、正弦波を乗算する処理を行う（ステップＳ３４）。その際、正弦波としては、実効値１でノックの代表的な周波数（例えば５ｋＨｚ）を持つ正弦波を掛けるとよい。たとえば以下の式４で示す演算処理を行う。
【００５１】
【数４】
上記の式４において、Ｔ：擬似ノック音、Ｅ：擬似ノック音の実効値、ｆ：擬似ノック音の周波数［Ｈｚ］、ｎ：サンプル番号、Δｔ：サンプリング時間［sec］とする。なお、本実施の形態では、ｆ＝５０００とする。
【００５２】
これにより、図１１の下段に示すような音信号が得られる。その結果、可聴限界近くの高周波帯域で発生する特異音であっても、標準的な周波数に変換される。したがって、音として出力した際に、より聞き取りやすくなる。
【００５３】
次に出力音量に相当するゲインをかける（ステップＳ３５）。このようにして生成した擬似ノック音信号が図１のスピーカ１８から、擬似ノック音として出力される。この擬似ノック音は、ノック強度を増幅、残響付加、周波数変換した信号である。したがって、元のノック音が微弱な音、高周波の音、瞬間的な音であっても、擬似ノック音として聞こえやすい音に変換されて出力される。
【００５４】
次に上記の如く構成されたノック判定装置１０の作用について説明する。
【００５５】
上述したように本実施の形態では、センサ１４が検出した信号を複数の周波数帯域に分離し、その分離した周波数帯域ごとに直前の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを算出するとともに、近接の周波数帯域に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを算出し、さらに、二つの背景音のパワーのうち大きいものを選択し、音全体のパワーを選択の背景音のパワーで割ってパワー比を算出している。そして、複数の周波数帯域で求めたパワー比のうち最大のものをノック強度とし、その大きさ及び頻度が閾値を超えるか否かによってノックの有無を判定している。このように時間マスク処理と周波数マスク処理とを行ってノックの有無を判定することによって、聴感評価と同等の結果を得ることができる。また、ノック強度という数値に換算してノックの有無を判定するので、ノック判定を定量的に行うことができる。
【００５６】
また、本実施の形態は、ノック強度を増幅し、残響を付加し、実効値を求めた後、正弦波を乗算することによって、擬似ノック音の信号を生成し、これをスピーカ１８から音として出力している。このように出力した擬似ノック音は、背景音に対するパワー比であるノック強度に基づいて出力されるので、ノック音が強調されている。また、ノック強度に残響を付加するようにしたので、瞬間的なノック音が聞きやすい音に変換されている。さらに、所定の周波数の正弦波を乗算しているので、聞きやすい周波数に変換されている。したがって、本実施の形態によれば、非常に聞き取りやすく変換された擬似ノック音が出力されるので、聴感に基づいて簡単且つ精度良く聴感評価を行うことができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、ノック強度による定量的な評価と、擬似ノック音による聴感評価とを同時に行うので、定量的なノック評価の信頼性を確認しつつ、ノック判定を行うことができる。
【００５８】
なお、上述した実施形態は、擬似ノック音を発生させるようにしたが、これに限定するものではなく、ノック強度の算出とノック強度によるノック判定のみを行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ノック判定装置、１２…エンジン、１４…センサ、１６…プロセッサ、１８…スピーカ、２０…表示器、２２…アンプ、２４…ＡＤ変換、２６…ＤＡ変換、２８…記録媒体
【技術分野】
【０００１】
本発明はノッキング判定方法及び装置に係り、特にエンジン試験装置においてエンジンのノッキングを判定するノッキング判定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノッキング（またはノック）とは、エンジンのシリンダ内において未燃焼ガスが燃焼ガスにより圧縮されて自己着火し、急速に燃焼して共鳴する現象であり、ノッキングが発生すると、燃焼ガスが振動により熱伝播しやすくなり、エンジンが破損するおそれがある。ノッキングを抑制するには点火時期を遅くする必要があるが、点火時期を遅くすると燃費が低下するという問題があるため、ノッキングの発生を正確に計測して判定することが必要になる。
【０００３】
ノックの判定方法としては、聴感評価が広く用いられている（たとえば特許文献１参照）。これは試験者が実際にエンジンの運転音を聞き、その中の異音の大きさ及び発生頻度を聞き分け、ノック状態を評価する方法である。しかし、聴感評価は試験者や試験環境によるバラつきが大きく、再現性が低いという問題がある。特に、微弱な音、高周波の音、瞬間的な音を聞き取れるかどうかは、個人の聴力や経験によるところが大きく、熟練者でなければ正確に聞き分けることは難しい。そのため、聴感評価をできる人間は限られているのが現状である。また、聴感評価は、試験者によるので、自動ノック制御システムや自動適合計測システムに適用することができないという問題がある。
【０００４】
そこで近年では、ノック判定を定量的に行うため、筒内圧計測による手法が広く用いられている（たとえば特許文献２参照）。この手法は、筒内の圧力を計測し、その筒内圧力信号に様々な信号処理を施すことによって、ノックの判定を行う方法である。たとえば、取得した筒内圧力信号にフィルタをかけてノックの固有振動成分を取得し、さらにノックが発生するクランク角度範囲の波形を切り出し、その最大振幅や振幅の２乗平均、２乗積分などといった代表値を求め、これをノック指標とする。これにより、定量的なノック判定が行われる。
【０００５】
別の定量的なノック判定方法として、振動センサによる方法がある（たとえば特許文献３参照）。これは、実車に搭載されるシステムであり、振動センサをクランクケースに取り付けて振動を計測し、その振動計測信号に様々な信号処理を施すことによってノック判定を行う方法である。たとえば、振動計測信号をフィルタにかけてノックの固有振動成分を取得し、さらにノックが発生するクランク角度範囲の波形を切り出し、その絶対振幅の平均などの代表値を求め、これをノック指標とする。これにより、定量的なノック判定が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２３２６７５
【特許文献２】特開２０００−１１０６５２
【特許文献３】特許３０５４９１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した２つの手法は、その判定結果が聴感評価の結果と一致しないため、聴感評価による較正が必要になるという問題がある。たとえば、筒内圧計測による手法は、機械系の騒音が計測から除外されているため、計算結果が聴感評価の結果と合致せず、結局は聴感評価によってノック音の発生の閾値を決めることが必要となる。一方、振動センサによる手法は、振動の計測値に含まれる機械振動の成分が運転条件や個別のエンジンによって異なるため、ノック音の発生に相当する振幅値の閾値を条件毎に聴感評価によって較正する必要がある。
【０００８】
さらに別の欠点として、筒内圧計測による手法は、高価な筒内圧センサが気筒の数だけ必要になり、コストがかかるという問題や、ノックの固有周波数や使用するフィルタについて事前の調査が必要となるという問題がある。一方、振動センサによる手法は、固有周波数やフィルタに関する調査が必要になるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、ノックを定量的に判定できるとともに、聴感による評価と同等の結果を得ることができるノッキング判定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、エンジン音を検出するセンサと、前記センサで得られた信号に対して、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、該背景音のパワーに対するパワー比をノック強度として算出する算出手段と、前記算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する判定手段と、を備えたことを特徴とするノッキング判定装置を提供する。
【００１１】
本発明によれば、人間の聴覚で行われる処理と同様に、時間マスク処理と周波数マスク処理を行うようにしたので、聴感評価と同等の結果を得ることができるとともに、信号処理による定量的なノック判定を行うことができる。
【００１２】
請求項２の発明は請求項１において、前記算出手段は、前記時間マスク処理を施した背景音のパワーと、前記周波数マスク処理を施した背景音のパワーとを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによって、前記パワー比を算出することを特徴とする。本発明によれば、時間マスク処理を施した背景音のパワーと周波数マスク処理を施した背景音のパワーのうち大きい方を用いてパワー比を求めたり、パワー比が閾値を超える頻度を求めてノックの有無を判定したので、人間の聴覚に非常に近い結果を得ることができる。
【００１３】
請求項３の発明は請求項２において、前記算出手段は、前記センサで得られた信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、該周波数帯域ごとに前記パワー比を算出し、該算出したパワー比のうち最も大きい値を選択して前記ノック強度とすることを特徴とする。本発明によれば、最もパワー比の大きいものを選択することによって、人間の聴覚に非常に近い結果を得ることができる。
【００１４】
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記ノック強度に対して残響音の強度を付加し、所定の周波数の振動を与えることによって、擬似ノック音の音声信号を作成する擬似ノック音生成手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、ノック強度に残響を付加し、周波数振動を与えるので、聴感評価を行い易い擬似ノック音が生成される。したがって、個人差が生じることなく確実に聴感評価を行うことができる。また、定量的な評価と聴感評価を同時に行うことができるので、評価の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
請求項５の発明は前記目的を達成するために、エンジン音を検出し、前記検出した信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、前記抽出した周波数帯域ごとに、直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを求めるとともに、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによってパワー比を求め、前記周波数帯域ごとに求めたパワー比のうち、最も大きい値をノック強度として設定し、前記設定したノック強度に基づいて、ノックの有無を判定することを特徴とするノッキング判定方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、人間の聴覚で行われる処理と同様に、時間マスク処理と周波数マスク処理とを行うようにしたので、聴感評価と同等の結果を得ることができるとともに、信号処理による定量的なノック判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態のノッキング判定装置の構成を模式的に示す図
【図２】本実施の形態のノッキング判定装置の制御フローの概略図
【図３】図２のノック強度算出フローとノック判定フローの詳細を示す図
【図４】周波数の抽出に関する説明図
【図５】信号波形とパワーの一例を示す図
【図６】遅延補正の説明図
【図７】聴感Ａ特性の説明図
【図８】時間マスク効果の説明図
【図９】ノック判定の説明図
【図１０】図２の擬似ノック音の出力フローの詳細を示す図
【図１１】擬似ノック音の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面に従って、本発明に係るノッキング判定方法及び装置の好ましい実施形態について説明する。本発明のノッキング判定方法及び装置は、人間の聴感評価と同等のノック判定結果を得るための装置であり、その作用を効果的に説明するため、まずは人間の聴覚の働きについて説明する。
【００１９】
エンジン音を聴覚で感じる際、エンジン音は耳かいから外耳道を通り、鼓膜、耳小骨を振動させ、蝸牛に到達する。蝸牛は径が一定でない渦巻き状に形成されており、周波数毎に異なる部分で反応するので、エンジン音は周波数によって分割されて伝達される。その際、過去の音の残響によって現在の音が部分的にかき消される効果（時間マスク効果）と、隣の音域の音によって部分的にかき消される効果（周波数マスク効果）を受ける。時間マスク効果とは、人間の聴覚神経が励起された状態から沈静化するのにある程度の時間を要することにより、その間の聴覚が妨げられる効果であり、音が鳴り終えた直後だけでなく、音が鳴り始める直前にもマスク効果が発生する。一方、周波数マスク効果とは、近隣音域の音を聴覚する神経同士が近接して存在することによって、近隣周波数の聴覚が妨げられる効果である。
【００２０】
これら二つのマスク効果によってかき消されることなく残った音が聴覚神経を励起する。ここで、マスク効果による励起状態に相当する音を背景音と定義し、残った音を特異音とする。ノッキング音は、背景音に対して特異音が大きい場合に認識される。また、音域別にそれぞれ聴覚した音の中で特異性が最大の音が代表的に認識される。ここで、最も特異性が高い音が観測される周波数は、ノックの固有振動数に一致するとは限らず、実際のノック音では、一般にノッキングと表現されるようなカンカンという固有周波数の音よりも、広い周波数範囲を持つチリチリという撥音の方が支配的である。特にトレースノック状態においては、前者の音は殆ど観測されない。固有周波数の音はシリンダ内の定在波から発生し、撥音はシリンダ内の急激なステップ的圧力上昇から発生するものと考えられる。このようなノック音を聴くとき、特異性の高い音はより広い周波数範囲で観測される可能性がある。
【００２１】
観測者は、特に大きな異音を聞いたとき、それをノックと判断し、その発生頻度をカウントする。そして、ノック音の大きさと発生頻度から主観的に判断して、ノックが定常的に発生している状態か否か、もしくはノック状態のレベルがいくつかを評価している。
【００２２】
次に本実施の形態のノッキング判定装置１０の構成について図１に基づいて説明する。図１に示すノッキング判定装置１０はエンジン１２のノッキングを判定する装置であり、主としてセンサ１４、プロセッサ１６、スピーカ１８、表示器２０で構成される。
【００２３】
センサ１４は、エンジン音を検出するためのマイクであり、エンジン１２の近傍に設置される。なお、センサ１４はマイクに限定されるものではなく、音圧を求めることができるものであればよい。たとえば、単位換算を行う処理装置と組み合わせることにより、振動センサを用いてもよい。この場合、振動センサはエンジン１２に直接取り付けるとよい。
【００２４】
センサ１４はアンプ２２及びAＤ変換２４を介してプロセッサ１６に接続される。センサ１４の検出信号は、アンプ２２で増幅され、ＡＤ変換２４でデジタル信号に変換され、プロセッサ１６に入力される。
【００２５】
プロセッサ１６は、後述の各種信号処理を行う装置であり、表示器２０に接続されている。表示器２０は、プロセッサ１６で求めたノック強度、ノック判定結果などをリアルタイムで表示する装置であり、必要に応じて計測条件等も表示される。なお、ノック強度やノック判定結果を記録媒体２８に出力し、記録媒体２８に記録してもよい。さらに、不図示のプリンタ等に出力し、印字するようにしてもよい。
【００２６】
プロセッサ１６は、ＤＡ変換２６を介してスピーカ１８に接続される。スピーカ１８は、プロセッサ１６で生成した擬似ノック音信号を音として出力する装置であり、このスピーカ１８から観測者に向けて擬似ノック音がリアルタイムで再生される。
【００２７】
次にプロセッサ１６で行われる各種信号処理について図２に従って説明する。図２は、プロセッサ１６の大まかな制御フローを示している。同図に示すように、プロセッサ１６は、まず、ノック強度を算出する（ステップＳ１）。ここで、ノック強度とは、エンジン音の中でノックと認識される音の大きさを示す値であり、後述するように、背景として存在する音（以下、背景音）のパワーと特異的に変化する音（以下、特異音）のパワーとの比率で与えられる。
【００２８】
次に、算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する（ステップＳ２）。また、算出したノック強度に基づいて擬似ノック音の信号を生成し、スピーカ１８から擬似ノック音を出力する（ステップＳ３）。以下に各フローを具体的に説明する。
【００２９】
上述のノック強度算出フロー（ステップＳ１）とノック判定フロー（ステップＳ２）の詳細を図３に示す。同図に示すように、プロセッサ１６はまず、入力信号を複数の周波数帯域に分離する（ステップＳ１１）。その際、複数のバンドパスフィルタを用いて分離するとよい。また、分離する周波数帯域のバンド幅やバンド数は、特に限定するものではないが、たとえば図４に示すように定義するとよい。すなわち、特異音の検出精度とプロセッサ１６の演算負荷の兼ね合いからバンド幅を１／６Octaveに定義するとともに、そのバンド幅で４ｋＨｚ ~２０Ｈｚ範囲を１５分割し、さらにその中間に位置してオーバーラップする１４バンドを加え、計２９バンドとして定義する。なお、約１０ｋＨｚ以上の高周波の音は人間にとって聞こえにくい音なので、場合によっては無視してもよい。
【００３０】
以下のステップＳ１２からステップＳ１８までの処理は、分離した周波数帯域ごとに行い、リアルタイムで同時に算出する。まず、分離した信号を２乗平均し、音のパワーを算出する（ステップＳ１２）。算出した音のパワーの一例を図５に示す。図５の上段はある音の信号の波形であり、図５の下段はそれを２乗平均したパワー波形である。２乗平均を求めるにあたって平均幅は、平均化演算によってピークが消されないように、できるだけ小さく設定することが好ましく、たとえばバンド中心周波数の５波長分に設定される。
【００３１】
次に、ステップＳ１１で分離した周波数帯域間での同期を取るため、遅延補正処理を行う（ステップＳ１３）。上述したバンドパスフィルタは図６に示すように、それぞれ固有の遅延を持っており、入力信号の変動に対応する各バンドのパワーのピークはそれぞれ別の時刻に現れる。そこで、各バンドの信号に対してバンド別の補正遅延をかけることで、ピークの発生時刻を同期させる。
【００３２】
次に、聴感A特性をかける（ステップＳ１４）。具体的には、図７に示すような特性の減衰率を掛けることによって、聴感に対応するパワーを求める。
【００３３】
次に、時間マスク効果を算出する（ステップＳ１５）。時間マスク効果は音の時間変化から求めることができる。すなわち、音が大きくなるときは背景音のパワーが一定の一次遅れで追従するとして近似でき、音が小さくなるときは背景音のパワーが一定の減衰率で減衰するとして近似できる。そこで、以下の式１に基づいて背景音のパワーＭｔ［Ｐａ２］を算出する。
【００３４】
【数１】
上記の式１において、Ｍｔ：時間マスクのパワー［Ｐａ２］、Ｍ：背景音のパワー［Ｐａ２］、Ｓ：音のパワー［Ｐａ２］、ｎ：サンプル番号、Δｔ：サンプリング時間［sec］、ａ：一次遅れ時定数［sec］、ｂ：減衰率［sec−１］とする。ただし、Ｍｔ（ｎ−１）＞Ｓ（ｎ）、且つ、Ｍｔ（ｎ）＜Ｓ（ｎ）となった場合は、Ｍｔ（ｎ）＝Ｓ（ｎ）とする。
【００３５】
上記の式１において、指数のａ、ｂは実験等によって求めるとよい。その実験としては、たとえば６０ｄＢの音をＴ秒間発生させた後、８０ｄＢのパルス音を０．０１秒間発生させた場合について、単独でパルス音を発生させた場合と比較し、何ｄＢの単独パルス音と同じに聞こえるかを求める。また、６０ｄＢの音の発生を停止させた後、Ｔ秒後に６０ｄＢのパルス音を０．０１秒間発生させた場合について、単独でパルス音を０．０１秒間発生させた場合と比較し、何ｄＢの単独パルス音と同じに聞こえるかを求める。以上の実験を、Tを変えながら繰り返し行い、マスク効果の変化を調べる。本発明者による試験では、音量や周波数が異なる場合について実験を行った結果、ａは約０．００５、ｂは約２３．０４を得た。ただし、この値は一例であり、特に限定するものではない。
【００３６】
なお、本実施の形態は、直前の音によるマスク効果（Post-Masking)のみを求め、直後の音によるマスク効果（Pre-Masking）を行わない例である。ただし、これに限定するものではなく、直後の音によるマスク効果を扱うようにしてもよい。
【００３７】
次に周波数マスク効果を算出する（ステップＳ１６）。周波数マスク効果の算出方法は、たとえばラウドネスの計算用チャートを利用する。このチャートの利用に関しては、対象となる条件を限定するとよい。たとえば解析対象の周波数範囲を４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ、音量の範囲を４０〜１００ｄＢに限定し、計測室は反響があるものとする。このような前提において、背景音のパワーは周波数差（対数スケール）が開くに連れて一定の減衰率で減衰すると近似し、より低い周波数に対しては、マスク効果は無いものとして扱う。そこで、以下の式２に基づいて背景音のパワーＭｆ［Ｐａ２］を算出する。
【００３８】
【数２】
上記の式２において、Ｍｆ：周波数マスクのパワー［Ｐａ２］、Ｍ：背景音のパワー［Ｐａ２］、ｆ：周波数［Ｈｚ］、ｆ0：マスク効果の原因となる周波数［Ｈｚ］、ｃ：オクターブ差に対する減衰率とする。ただし、最低周波数のバンドにおいては、Ｍｆ＝０とする。また、指数のｃは、ｄＢスケールにおける減衰量を２４ｄＢ／ Octaveと近似し、ｃ =５．５２１５とする。
【００３９】
次に背景音のパワーを算出する（ステップＳ１７）。具体的には、ステップＳ１５で求めた時間マスクによる背景音のパワーと、ステップＳ１６で求めた周波数マスクによる背景音のパワーのうち、大きい方を背景音のパワーとして設定する。なお、求めた背景音のパワーを隣接する周波数帯域での周波数マスク効果の算出に利用するとよい。
【００４０】
次に、求めた背景音のパワーを用いて音全体のパワーを除算し、パワー比を算出する（ステップＳ１８）。具体的には、マスク効果を算出する前の音全体のパワーを、ステップＳ１７で求めた背景音のパワーで割り、結果が1より小さかった場合は1に補正する。このようにして求めたパワー比の一例を図８に示す。図８の上段は、音全体のパワーの時間波形と背景音のパワーの時間波形を示しており、図８の下段はパワー比の時間波形を示している。なお、以上のステップＳ１２からステップＳ１８までの処理は、それぞれの周波数帯域で同時に算出する。これにより、全ての周波数帯域でパワー比が算出される。
【００４１】
次に、それぞれの周波数帯域で求めたパワー比のなかで、最大値を取得する（ステップＳ１９）。これをノック強度とする。ノック強度とは、背景音を1に規格化したときの、音のパワー波形を意味している。
【００４２】
次に、求めたノック強度をｄＢスケールに換算する（ステップＳ２０）。ｄＢスケールは、1を基準として算出する。これは、特異音のｄＢ音量そのものに相当する。以下、ノック強度のｄＢ換算値をノックｄＢ強度という。なお、図３の制御フローでは省略したが、ノック強度またはノックｄＢ強度を必要に応じて表示器２０に出力して表示するとよい。
【００４３】
次に、ノックｄＢ強度を閾値と比較する（ステップＳ２１）。ここで、閾値とは試験者の聴感的な判断基準に相当し、個人差はあるが、典型的にはおよそ１０ｄＢとする。ただし例外として、聴感的にノック音と区別のつかないな何らかの音が機械系から発生している場合には、その音よりも大きなノック音が発生しないと人間には判別ができないので、ノック判定の閾値もより大きく設定する必要がある。また、聴感に基づいて閾値の再設定を行う際は、後述の擬似ノック音を参照するとよい。なお、センサ１４の設置位置や種類（たとえば指向性マイク等）を閾値と合わせて変更するようにしてもよい。
【００４４】
このように設定した閾値をノックｄＢ強度が上回っている場合、瞬間的なノック状態と判定する。図９は、トレースノック状態におけるノックｄＢ強度の時間波形と、ノック発生の判定結果を示している。同図に丸で示した部分は、ノックｄＢ強度が閾値を超えており、瞬間的なノック状態と判断できる。
【００４５】
次に、一定時間内に瞬時的なノック状態にあった時間をカウントし、ノック頻度を求め（ステップＳ２２）、そのノック頻度を閾値と比較する（ステップＳ２３）。この閾値は聴感に基づいて任意に決定する。ノック頻度が閾値を上回っているとき、定常的なノック状態にあると判定する。この結果は、人間による聴感評価の結果に相当し、以上によってノック判定が終了する。求めたノック判定の結果は必要に応じて表示器１６に出力するとよい。なお、本実施の形態では、パワー比が閾値を超える頻度によってノックの有無を判定したが、ノック判定の方法はこれに限定するものではなく、ノック強度を利用した様々な判定方法が可能である。たとえば、ノック強度の４乗平均値などの統計量を閾値と比較してノック判定を行ってもよい。
【００４６】
次に、図１０に示す擬似ノック音の出力フローを行う。擬似ノック音の出力フローでは、まず、ノック強度を増幅する（ステップＳ３１）。たとえば増幅率をｄとして、ノック強度をｄ乗する。これはノックｄＢ強度をｄ倍することに等しい。増幅率ｄは、出力する擬似ノック音が聞き取りやすくなるような値を任意に設定すればよく、たとえばｄ＝４に設定される。これにより、ノック強度を増幅したパワー波形が得られる。
【００４７】
次に、増幅したノック強度について一定の減衰率で減衰する残響を付加する（ステップＳ３２）。具体的には、以下の式３で示す演算処理を行う。
【００４８】
【数３】
上記の式３において、Ｒ：残響を付加した信号、Ｋ：増幅されたノック強度、ｎ：サンプル信号、Δｔ：サンプリング時間［sec］、ｒ：残響の減衰率［sec−１］とする。ただし、Ｒ(n-1)＞Ｋ(n)且つＲ(n)＜Ｋ(n)となった場合は、Ｒ(n)＝Ｋ(n)とする。
【００４９】
残響を付与することによって、擬似ノック音のパワー信号が得られる。たとえば図１１の中段のノック強度を増幅して残響を付与することによって、図１１の上段で示す信号が得られる。これにより、瞬間的な音がより持続して聞こえるパワー波形となるので、出力した音が聞き取りやすくなる。なお、残響が小さすぎると効果が得られず、大きすぎると別時刻のノック音の聴覚を妨げるので、残響率ｒは数百程度の適切な値、たとえばｒ＝５００に設定する。
【００５０】
次にパワー波形の平方根を取り、実効値を求めた後（ステップＳ３３）、正弦波を乗算する処理を行う（ステップＳ３４）。その際、正弦波としては、実効値１でノックの代表的な周波数（例えば５ｋＨｚ）を持つ正弦波を掛けるとよい。たとえば以下の式４で示す演算処理を行う。
【００５１】
【数４】
上記の式４において、Ｔ：擬似ノック音、Ｅ：擬似ノック音の実効値、ｆ：擬似ノック音の周波数［Ｈｚ］、ｎ：サンプル番号、Δｔ：サンプリング時間［sec］とする。なお、本実施の形態では、ｆ＝５０００とする。
【００５２】
これにより、図１１の下段に示すような音信号が得られる。その結果、可聴限界近くの高周波帯域で発生する特異音であっても、標準的な周波数に変換される。したがって、音として出力した際に、より聞き取りやすくなる。
【００５３】
次に出力音量に相当するゲインをかける（ステップＳ３５）。このようにして生成した擬似ノック音信号が図１のスピーカ１８から、擬似ノック音として出力される。この擬似ノック音は、ノック強度を増幅、残響付加、周波数変換した信号である。したがって、元のノック音が微弱な音、高周波の音、瞬間的な音であっても、擬似ノック音として聞こえやすい音に変換されて出力される。
【００５４】
次に上記の如く構成されたノック判定装置１０の作用について説明する。
【００５５】
上述したように本実施の形態では、センサ１４が検出した信号を複数の周波数帯域に分離し、その分離した周波数帯域ごとに直前の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを算出するとともに、近接の周波数帯域に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを算出し、さらに、二つの背景音のパワーのうち大きいものを選択し、音全体のパワーを選択の背景音のパワーで割ってパワー比を算出している。そして、複数の周波数帯域で求めたパワー比のうち最大のものをノック強度とし、その大きさ及び頻度が閾値を超えるか否かによってノックの有無を判定している。このように時間マスク処理と周波数マスク処理とを行ってノックの有無を判定することによって、聴感評価と同等の結果を得ることができる。また、ノック強度という数値に換算してノックの有無を判定するので、ノック判定を定量的に行うことができる。
【００５６】
また、本実施の形態は、ノック強度を増幅し、残響を付加し、実効値を求めた後、正弦波を乗算することによって、擬似ノック音の信号を生成し、これをスピーカ１８から音として出力している。このように出力した擬似ノック音は、背景音に対するパワー比であるノック強度に基づいて出力されるので、ノック音が強調されている。また、ノック強度に残響を付加するようにしたので、瞬間的なノック音が聞きやすい音に変換されている。さらに、所定の周波数の正弦波を乗算しているので、聞きやすい周波数に変換されている。したがって、本実施の形態によれば、非常に聞き取りやすく変換された擬似ノック音が出力されるので、聴感に基づいて簡単且つ精度良く聴感評価を行うことができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、ノック強度による定量的な評価と、擬似ノック音による聴感評価とを同時に行うので、定量的なノック評価の信頼性を確認しつつ、ノック判定を行うことができる。
【００５８】
なお、上述した実施形態は、擬似ノック音を発生させるようにしたが、これに限定するものではなく、ノック強度の算出とノック強度によるノック判定のみを行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ノック判定装置、１２…エンジン、１４…センサ、１６…プロセッサ、１８…スピーカ、２０…表示器、２２…アンプ、２４…ＡＤ変換、２６…ＤＡ変換、２８…記録媒体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン音を検出するセンサと、
前記センサで得られた信号に対して、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、該背景音のパワーに対するパワー比をノック強度として算出する算出手段と、
前記算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とするノッキング判定装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記時間マスク処理を施した背景音のパワーと、前記周波数マスク処理を施した背景音のパワーとを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによって、前記パワー比を算出することを特徴とする請求項１に記載のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記センサで得られた信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、該周波数帯域ごとに前記パワー比を算出し、該算出したパワー比のうち最も大きい値を選択して前記ノック強度とすることを特徴とする請求項２に記載のノッキング判定装置。
【請求項４】
前記ノック強度に対して残響音の強度を付加し、所定の周波数の振動を与えることによって、擬似ノック音の音声信号を作成する擬似ノック音生成手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のノッキング判定装置。
【請求項５】
エンジン音を検出し、
前記検出した信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、
前記抽出した周波数帯域ごとに、直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを求めるとともに、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを求め、
前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによってパワー比を求め、
前記周波数帯域ごとに求めたパワー比のうち、最も大きい値をノック強度として設定し、
前記設定したノック強度に基づいて、ノックの有無を判定することを特徴とするノッキング判定方法。
【請求項１】
エンジン音を検出するセンサと、
前記センサで得られた信号に対して、その直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理と、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理とを行うことによって背景音のパワーを求め、該背景音のパワーに対するパワー比をノック強度として算出する算出手段と、
前記算出したノック強度に基づいてノックの有無を判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とするノッキング判定装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記時間マスク処理を施した背景音のパワーと、前記周波数マスク処理を施した背景音のパワーとを求め、前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによって、前記パワー比を算出することを特徴とする請求項１に記載のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記センサで得られた信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、該周波数帯域ごとに前記パワー比を算出し、該算出したパワー比のうち最も大きい値を選択して前記ノック強度とすることを特徴とする請求項２に記載のノッキング判定装置。
【請求項４】
前記ノック強度に対して残響音の強度を付加し、所定の周波数の振動を与えることによって、擬似ノック音の音声信号を作成する擬似ノック音生成手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のノッキング判定装置。
【請求項５】
エンジン音を検出し、
前記検出した信号を複数の周波数帯域に分けて抽出し、
前記抽出した周波数帯域ごとに、直前及び／又は直後の信号に基づく時間マスク処理を行って背景音のパワーを求めるとともに、近接する周波数帯域の信号に基づく周波数マスク処理を行って背景音のパワーを求め、
前記２つの背景音のパワーのうち大きい方を選択し、音全体のパワーを除算することによってパワー比を求め、
前記周波数帯域ごとに求めたパワー比のうち、最も大きい値をノック強度として設定し、
前記設定したノック強度に基づいて、ノックの有無を判定することを特徴とするノッキング判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１０３１５７（Ｐ２０１２−１０３１５７Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５２８０６（Ｐ２０１０−２５２８０６）
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（０００１２７５７０）株式会社エー・アンド・デイ (136)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（０００１２７５７０）株式会社エー・アンド・デイ (136)
【Ｆターム（参考）】
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