Hyundai Motor​社、​自動車​の​ノイズ​源​探査​用​ポータブル​サウンド​カメラ​を​開発​し​て​車両​品質​の​向上​を​実現

- Kang-​Duck Ih, Hyundai Motor Group

「NI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​を​使用​する​こと​で、​当社​は​競合​他社​より​はるかに​早い​時期​に​真​に​ポータブル​な​サウンド​カメラ​を​開発​しま​した。​これ​によって、​お客様​に​さらに​上質​の​車両​を​お​届け​できる​もの​と​考え​ます。」

- Kang-​Duck Ih, Hyundai Motor Group

課題:

Hyundai​社​製​車両​の​ため​に、​BSR (Buzz, Squeak, Rattle) と​呼ばれる​不快​な​過渡​ノイズ​の​発生​源​を​視覚​化​し、​特定​する​ため​の​ポータブル​システム​を​製作​する。

ソリューション:

NI LabVIEW​システム​開発​ソフトウェア​を​使​って、​ハンド​ヘル​ド​サウンド​カメラ​を​開発​する。​この​サウンド​カメラ​は、​MEMS (微小​電気​機械​システム) と​FPGA​テクノロジ​を​利用​し​て​ノイズ​の​発生​源​を​リアルタイム​で​特定​し、​表示​する​こと​で、​画像​アップデート​レート​の​向上​と、​デバイス​の​軽量​化​を​実現​した。

作成​者:

Kang-​Duck Ih - Hyundai Motor Group
​Youngkey K. Kim - SM Instruments Co., Ltd.

 

 

BSR (Buzz, Squeak, Rattle) として​知​られる​可聴​領域​の​過渡​ノイズ​が​あり​ます。​消費者​は、​この​よう​な​ノイズ​が​自分​の​自動車​から​発生​する​こと​を​望み​ま​せん。​J.D.​パワー​の​初期​品質​調査 (IQS) など​でも​明らか​な​よう​に、​これらの​ノイズ​は​顧客​満足​度​に​影響​を​与​え​ます。​この​調査​で、​Hyundai​社​製​自動車​の​いくつか​の​車種​は​最高​の​評価​を​受け​てい​ます。​これらの​ノイズ​の​原因​は、​可動​部品​間​の​衝突​や​摩擦​です。​ブー​ン​という​音 (Buzz) は、​衝撃​によって​誘発​さ​れ​た​短い​ノイズ​で、​共振​による​高周波​成分​を​伴​い​ます。​キー​キー​という​音 (Squeak) の​多く​は、​金属​と​金属​が​接触​し​て​直線​運動​が​起​こ​っ​た​とき、​または​ゴム​が​金属​製​プー​リ​に​押しつけ​ら​れ​た​とき​に​発生​し​ます。​ガタガタ​という​音 (Rattle) が​起こる​の​は、​車両​が​動​い​て​いる​とき、​または​エンジン​が​か​か​っ​た​まま​停車​し​て​いる​とき​です。​この​ガタガタ​という​音​は、​オーディオ​スピーカ​が​低周波​で​強力​な​音​を​発する​とき​に​生じる​場合​が​あり​ます。​この​よう​な​問題​の​解決​に​向け​て​採る​べ​き​最初​の​ステップ​は​ノイズ​源​の​特定​ですが、​難しい​場合​が​あり​ます。 

 

 

音響​ビーム​フォーミン​グ​では、​音響​アレイ​を​使​って​ノイズ​源​を​マッピング​し​ます。​これ​は、​サウンド​カメラ​など​の​マイクロホン​アレイ​を​音​が​通過​する​際​に​生じる​遅延​時間​を​利用​し​て、​音​の​発生​方向​を​判別​する​もの​です。​サウンド​カメラ​は、​色彩​化​した​等高線​によって​音​を​視覚​化​し​ます。​これ​は、​サー​マル​カメラ​が​温度​を​視覚​化​する​方法​と​類似​し​てい​ます。​ビーム​フォーミン​グ​方式​を​採用​する​マイクロホン​アレイ​は、​ノイズ​源​の​位置​を​視覚​的​に​判定​し​ます。​この​ため、​BSR​ノイズ​の​検出​用​デバイス​として​最適​です。​市販​の​ビーム​フォーミン​グ​デバイス​の​なかには、​アレイ​から​の​信号​を​ノイズ​の​大小​によって​等高線​に​変換​する​もの​が​いくつか​あり​ます。​これらの​デバイス​は​複数​の​カメラ​を​統合​し、​等高線​を​光学​画像​に​重ね​合わせる​こと​により、​ノイズ​源​の​位置​を​簡素​化​し​て​表示​し​ます。​また、​1​秒​あたり​複数​枚​の​ノイズ​画像​を​撮影​し​て、​ノイズ​動画​を​作成​し​ます。​通常、​ノイズ​の​画像​や​動画​は、​周波数​レンジ​が​高い​ほど​その​品質​が​向上​し​ます。​撮影​パフォーマンス​が​ノイズ​の​波長​に​反比例​する​から​です。

 

 

デバイス​によって​は、​ノイズ​源​の​特定​は​難しい​課題​です。​まず、​デバイス​は​過渡​ノイズ​を​キャプチャ​する​ため​に​高速​で​応答​する​必要​が​あり​ます。​ほとんど​の​場合、​BSR​ノイズ​の​発生​は​不規則​かつ​急速​です。​発生​後、​数​ミリ​秒​で​消滅​する​ノイズ​も​あり​ます。​次に、​この​アプリケーション​では​軽量​の​デバイス​を​必要​として​いま​した。​対象​と​なる​BSR​ノイズ​の​ほとんど​が、​乗用車​の​内部​で​発生​し、​体感​さ​れる​もの​です。​そのため、​車内​で​の​使用​に​適​した​小型​で​携帯​可能​な​デバイス​を​求め​てい​た​の​です。​ただ、​マイクロホン​アレイ​の​サイズ​は、​特に​低い​周波数​レンジ​において、​画像​の​解像度​に​比例​し​て​大​きく​なる​ため、​小型​ビーム​フォーミン​グ​デバイス​の​製作​は​簡単​では​ありま​せん​で​した。​そこで、​当社​は​この​ポータブルビームフォーマ​を​BSR​ノイズ​向け​に​最適​化​しま​した。​BSR​ノイズ​の​大半​は​300 Hz​~​8 kHz​帯​で​発生​する​ため、​高い​周波数​レンジ​で​小型​アレイ​を​利用​する​こと​が​効果​的​で​あっ​た​ので、​携帯​に​適​した​もの​に​する​こと​が​でき​た​の​です。 

 

 

ノイズ​源​の​特定​用​に​開発​した​最初​の​システム​は、​アナログ​マイクロホン​が​30​~​48​チャンネル​ある​スパイラル​型​アレイ​で、​直径​は​最大​85 cm (34 in.) で​した。​データ​収集​に​は、​30​チャンネル​バージョン​の​場合、​NI 9234​ダイナミック​信号​収集 (DSA) モジュールをNI CompactDAQシステム​で​使用​し、​48​チャンネル​バージョン​の​場合、​NI PXIe-4497 DSA​モジュール​を​使用​しま​した。​サウンド​カメラ​アプリケーション​の​開発​に​は、LabVIEWと、​リアルタイム​表示​が​可能​な​音質​測定​機能​付き​の​NI Sound and Vibration Measurement Suite​を​使用​しま​した。​大型​の​アレイ​は、​50 Hz​まで​の、​BSR​ノイズ​源​と​ノイズ/​振動/​ハーシュネス (NVH) の​特定​の​両方​に​適​し​てい​ま​した。​サウンド​カメラ​は、​これまで​も​さまざま​な​アプリケーション​で​利用​さ​れ​て​き​ま​した。​たとえば、​通過​時​タイヤ​騒音​の​視覚​化​や​スピーカ​に​起因​する​ドア​パネル​ノイズ​の​視覚​化​が​あり​ます。

 

 

信号​処理​デバイス​の​進歩​が​目覚ましい​こと​から、​当社​の​ビーム​フォーミン​グ​システム​も​狭い​空間​で​の​BSR​ノイズ​の​検出​に​適​した​軽量​化​を​目指​し​て​再​設計​し、​MEMS​マイクロホン​と​FPGA​テクノロジ​を​使​って、​Hyundai​の​ニーズ​に​応え​ま​した。  MEMS​マイクロホン​の​性能​は、​携帯​電話​など​の​家電​製品​で​の​利用​によって​向上​し​てい​ます。​現在​では​大変​信頼​性​が​高​く、​価格​も​手頃​で​あり、​300 Hz​~​8 kHz​という​人間​の​声​が​属する​周波数​レンジ​で​の​平坦​な​応答​が​可能​です。​この​300 Hz​~​8 kHz​帯​は、​BSR​ノイズ​で​主に​対象​と​する​周波数​レンジ​です。​デジタル​MEMS​マイクロホン​は、​音響​トランスデューサ、​プリアンプ、​シ​グマ​デルタ​型​コンバータ​を​単一​の​チップ​に​統合​した​もの​です。​この​チップ​は、​アナログ​信号​を​デジタル​パルス列​に​変換​し​ます。​そのため、​私​達​は​計測​機能​から​多く​の​部分​を​取り​除​き、​システム​の​サイズ​と​重量​を​減らし​た​上​で、​高い​レベル​の​パフォーマンス​を​維持​する​こと​が​でき​ま​した。 

 

当社​は、LabVIEW FPGA​モジュールを​使​って​アプリケーション​を​移植​し、​演算​負荷​の​高い​ビーム​フォーミン​グ​アルゴリズム​を​変換​し​て​NI Single-​Board RIO​コントローラ​の​FPGA​上​で​実行​しま​した。​この​結果、​さらに​サイズ、​コスト、​携帯​性​を​最適​化​する​こと​が​でき​ま​した。​また、​これ​により、​信号​調節、​データ​収集、​フィルタ​処理、​ビームフォーミング​を​1​つ​の​チップ​に​統合​し、​データ​収集​ハードウェア​を​FPGA​の​処理​装置​に​直接​接続​できる​よう​に​な​っ​た​ため、​レイ​テン​シ​も​最小限​に​抑える​こと​が​でき​ま​した。​この​FPGA​は​超​並列​処理​によって、​サイクル​あたり​数百​個​の​処理​を​実行​でき​ます。​これ​は​PC​の​演算​能力​を​上回る​性能​です。 

 

 

重​さ​2 kg (5 lb) 未満​の​この​システム​は、​携帯​性​と​耐久性​が​向上​し​てい​ます。​マイクロホン​アレイ​と​サウンド​カメラ​を​一体​型​の​筐​体​に​まとめ、​背面​3​箇所​に​ハンドル​を​付け​た​デザイン​の​ため、​片手​でも​両手​でも​安定​した​操作​が​可能​です。​本体​に​すべて​の​センサ​を​搭載​し​て​ケーブル​配線​を​統合​した​ため、​従来​の​システム​と​比べる​と、​サイズ​が​60​パーセント縮小され、​重量​が​70​パーセント​軽​く​な​って​い​ます。

 

コンパクト​で​軽量​という、​この​システム​の​特長​を​生​かし​て、​ユーザ​は​狭い​空間​でも​車内​と​車外​で​発生​する​さまざま​な​ノイズ​源​を​対話​的​に​探索​でき​ます。​また、​統合​型​の​設計​によって、​セットアップ​の​時間​も​大幅​に​短縮​さ​れ​てい​ます。​秒​あたり​の​画像​アップデート​レート​が​高い​ため、​この​システム​は​過渡​ノイズ​を​効果​的​に​キャプチャ​し​て​表示​し​ます。​BSR​ノイズ​が​許​さ​れ​ない​ヒュンダイ・​ジェネシス​など、​数種類​の​新型​高級​車​の​テスト​で​使用​さ​れ​てい​ます。

 

作成​者​情報:

Youngkey K.Kim
SM Instruments Co., Ltd.
​DIREC 302, Taplipdong 697, Yusunggu
​大田 (テジョン) 305-701
​韓国
youngkey@smins.co.kr

 

作成​者​情報:

Kang-​Duck Ih
Hyundai Motor Group

図​1. ​ ​SeeSV​サウンド​カメラ​を​使​って、​ヒュンダイ・​ジェネシス​車両​の​エンジン​カバー​の​効果​を​確認 ​
図​2. ​ ​通常​の​エンジン​ノイズ​より​も​高い​周波数​スペクトル​で​発生​する​BSR​ノイズ ​
図​3. ​ ​車両​の​ドア​と​窓​で​検出​さ​れる​ノイズ​源 ​
図​4. ​ ​BSR​用​アレイ​と​比較​し​て、​NVH​の​アプリケーション​では​より​大型​の​マイクロホン​アレイ​を​使用 ​
図​5. ​ ​人間​工学​的​な​設計​によって​操作​が​容易​な​ハンドル ​
図​6. ​ ​システム​重量​は​2 kg (5 lb) 未満 ​