JP2007223401A - アクチュエータ最適配置装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータを最適な位置に配置することによって車室内の騒音を低減させるとともに消費電力を低減させることのできるアクチュエータ最適配置装置を提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータ最適配置装置１は、フロアパネル２のあらゆる位置にシェーカー３によって振動を与え、この振動によって発生した騒音をマイクロフォン４で検出し、制御装置６が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を設置することを特徴とする。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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）。
特開２０００−２５９１５８号公報

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の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図である。 図２（ａ）は本発明のアクチュエータ最適配置装置の設置された車両のフロアパネルの構成を説明するための断面図であり、図２（ｂ）はその平面図である。 本発明のアクチュエータ最適配置装置の設置された車両のフロアパネルの構造を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る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を示すフローチャートである。 フロアパネルをパッチに分割する方法を説明するための図である。 本発明のアクチュエータ最適配置装置によってアクチュエータの配置が決定された能動振動制御装置の構成を示す図である。 図７（ａ）は伝達関数Ｇのゲインと伝達関数Λのゲインとを示す模式図であり、図７（ｂ）は伝達関数Ｇのゲインの周波数特性を示すグラフであり、図７（ｃ）は伝達関数Λのゲインの周波数特性を示すグラフである。 図８（ａ）は伝達関数Ｇの計算方法を説明するための図であり、図８（ｂ）は伝達関数Ｇ’の計算方法を説明するための図である。 アクチュエータの最適な配置を決定する処理の一例を説明するための図である。 図１０（ａ）はポイントＰ１における伝達関数Ｇのゲインの周波数特性を示すグラフであり、図１０（ｂ）は伝達関数Ｇ’のゲインの周波数特性を示すグラフである。 図１１（ａ）はポイントＰ２における伝達関数Ｇのゲインの周波数特性を示すグラフであり、図１１（ｂ）は伝達関数Ｇ’のゲインの周波数特性を示すグラフである。 図１２（ａ）はポイントＰ１に設置されたアクチュエータへの入力電圧の時間変化を示すグラフであり、図１２（ｂ）はポイントＰ２に設置されたアクチュエータへの入力電圧の時間変化を示すグラフである。 ポイントＰ１〜Ｐ３におけるゲインの重ね合わせを説明するための図である。 制御対象とする周波数範囲を２つのセグメントに分割した場合の処理を説明するための図である。 本発明のアクチュエータ最適配置装置によってアクチュエータの配置が決定された能動振動制御装置の構成例を示す図である。 能動振動制御装置による制御を実施した場合のＳＰＬ（実線）と実施しなかった場合のＳＰＬ（点線）とを比較する図である。 能動振動制御装置による制御を実施した場合のＳＰＬ（実線）と実施しなかった場合のＳＰＬ（点線）とを比較する図である。 ポイントＰ１に設置されたアクチュエータへの入力電圧を示す図である。 ポイントＰ２に設置されたアクチュエータへの入力電圧を示す図である。

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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前記アクチュエータの最適な配置を決定するアクチュエータ最適配置装置であって、
   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。
2. 前記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請求項１に記載のアクチュエータ最適配置装置。
3. 前記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、所定のしきい値よりも高くなるように設定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のアクチュエータ最適配置装置。
4. 前記しきい値は、振動が与えられた前記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することを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ最適配置装置。
5. 前記制御対象とする騒音の周波数範囲は、タイヤ空洞共鳴周波数であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。
6. 前記制御対象とする騒音の周波数範囲は、ロードノイズの周波数であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。
7. 前記伝達関数の入力信号は、前記アクチュエータへの入力信号であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。
8. 前記伝達関数の入力信号は、前記車体パネルに与えられた振動の加速度であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。
9. 前記車体パネルに複数の点を割り当て、各点において前記伝達関数を算出し、前記制御対象とする騒音の周波数範囲において前記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を設置することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。
10. 前記車体パネルは車両の床であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のアクチュエータ最適配置装置。

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