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

"当社​は​NI​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​を​使用​し​て、​競合​他社​より​はるかに​早い​時期​に​本物​の​ポータブル​サウンド​カメラ​を​開発​しま​した。​この​開発​によって、​より​質​の​高い​車両​を​お客様​に​提供​できる​と​考え​てい​ます。" ​

- Kang-​Duck Ih, Hyundai Motor Group

課題:

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

ソリューション:

NI​の​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​に​は、​MEMS(微小​電気​機械​システム)​と​FPGA​テクノロジ​を​採用​し​て、​リアルタイム​に​ノイズ​源​を​特定​および​表示​し、​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​する。 ​

作成​者:

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

 

 

 

一般​的​に​BSR(Buzz, Squeak, Rattle)​として​知​られる​可聴​領域​の​過渡​ノイズ​が​生じる​車両​を​好む​消費者​はい​ない​で​しょう。​Hyundai​社​製​車両​も​複数​高​評価​を​得て​いる​J.D. Power Initial Quality Study(IQS)​など​の​顧客​満足​度​調査​では、​こうした​ノイズ​の​問題​が​調査​結果​を​左右​し​ます。​可動​部品​間​の​衝突​や​摩擦​が​これらの​ノイズ​の​原因​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​周波数​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り、​ゴム​が​金属​製​プー​リ​に​押しつけ​ら​れ​たり​し​て、​生​じ​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、​あるいは​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​と​高周波​の​音​を​発​し​て​いる​とき​に​生じる​場合​が​あり​ます。​是正​処置​で​最初​に​すべ​き​こと​は、​ノイズ​源​を​特定​する​こと​ですが、​これ​が​なかなか​容易​では​ありま​せん。

 

 

 

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​音​が​生​じ​て​くる​方向​を​識別​する​もの​で、​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​時間​の​遅延​を​利用​し​ます。​サウンド​カメラ​は、​音​を​カラー​の​等高線​として​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​似​てい​ます。​マイクロホン​アレイ​は​ビーム​フォーミン​グ​方法​を​用​い​て、​ノイズ​源​の​場所​を​視覚​的​に​特定​する​ため、​BSR​ノイズ​を​検出​する​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​に​は、​アレイ​の​信号​を​ノイズ​の​大​きさの​等高線​に​変換​する​もの​も​あり​ます。​これらの​デバイス​は、​カメラ​を​統合​し​て、​等高線​を​光学​式​イメージ​に​重ね​合わせ​て、​ノイズ​源​の​位置​を​より​明白​にし​ます。​ノイズ​画像​を​1​秒​あたり​複数​枚​撮影​し​て、​ノイズ​動画​を​作成​し​ます。​通常、​ノイズ​の​画像​と​動画​の​品質​は​高い​周波数​範囲​で​高​く​なり​ます。​それ​は​性能​が​ノイズ​の​波長​に​反比例​する​ため​です。

 

 

 

ノイズ​源​の​特定​は​一部​の​デバイス​に​課題​を​つき​つけ​ます。​まず、​デバイス​は​過渡​的​な​ノイズ​を​キャプチャ​する​ため​に​高速​応答​でき​な​け​れ​ば​なり​ま​せん。​ほとんど​の​BSR​ノイズ​は​不規則​かつ​即座​に​生​じ​ます。​また、​数​ミリ​秒間​続​い​た​後、​消​えて​しまう​ノイズ​も​あり​ます。​次に、​この​アプリケーション​に​必要​な​デバイス​は​軽量​でなければ​なり​ま​せん​で​した。​という​の​は、​BSR​ノイズ​の​ほとんど​は、​それ​が​生じる、​あるいは​我々​が​それに​気づく​の​が​乗用車​の​車内​の​ため、​携帯​し​て​使える​くらい​の​小型​サイズ​で​ある​必要​が​あっ​た​ため​です。​特に​低​周波数​範囲​において、​アレイ​の​サイズ​は​画像​の​解像度​に​比例​する​ため、​小型​の​ビーム​フォーミン​グ​デバイス​を​製作​する​の​は​容易​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​は​大半​が​300 Hz​~​8 kHz​に​位置​する​ため、​高​周波数​範囲​によって​小型​アレイ​が​効果​的​に​使用​でき、​携帯​で​の​利用​に​最適​と​な​っ​た​わけ​です。  

 

 

 

ノイズ​源​特定​用​に​開発​した​最初​の​システム​に​は、​30​~​48​チャンネル​の​スパイラル​アレイ​(直径​最大​85 cm(34 in.))​を​伴う​アナログ​マイクロホン​を​使用​しま​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​計測​機能​が​付​いた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、​タイヤ​の​通過​騒音​や、​スピーカ​が​原因​で​生じる​ドア​パネル​の​ノイズ​の​視覚​化​など、​様々​な​アプリケーション​に​使用​さ​れ​て​き​ま​した。

 

 

 

信号​処理​デバイス​の​進化​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​家庭​用​電化​製品​へ​の​使用​によって​進化​しま​した。​MEMS​マイクロホン​は​現在​では​大変​信頼​性​が​高​く、​価格​も​手頃​です。​さらに、​300 Hz​~​8 kHz​という​人​の​声​の​周波数​範囲​で​フラット​応答​が​可能​です。​この​300 Hz​~​8 kHz​は​BSR​ノイズ​で​主に​対象​と​なる​周波数​範囲​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​コンバータ​を​1​つ​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​する​ため、​計測​器​の​多く​の​部分​を​取り​除​い​て、​システム​の​サイズ​と​重量​を​減らし​ながら、​ハイレベル​な​性能​は​そのまま​維持​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、Single-​Board RIOの​FPGA​で​実行​さ​せ​ま​した。​こう​する​こと​で、​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​最低限​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​が​実行​でき​ます。​これ​は​PC​の​演算​能力​を​上回る​性能​です。

 

 

 

この​システム​の​重量​は​2 kg(5 lb)​未満​の​ため、​優​れ​た​携帯​性​と​耐久性​を​実現​し​てい​ます。​マイクロホン​アレイ​の​本体​は​1​つ​に​ま​と​まっ​た​頑丈​な​造り​に​な​って​おり、​カメラ​は​背面​に​3​つ​の​取っ手​が​付​い​て​いる​ため、​片手​でも​両手​でも​安定​した​操作​が​できる​よう​に​な​って​い​ます。​全て​の​センサ​が​本体​に​搭載​さ​れ​て​おり、​ケーブル​も​付​い​て​いる​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。

 

ユーザ​は、​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、​車内​と​車外​で​発生​する​様々​な​ノイズ​源​を​狭い​空間​において​さえ​インタラクティブ​に​探査​する​こと​が​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、​過渡​的​ノイズ​の​キャプチャ​と​表示​に​大変​効果​的​で、​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。

 

著者​情報:

YoungkeyK. Kim
SM Instruments Co., Ltd. 
​DIREC 302, Taplipdong 697, Yusunggu
​Daejeon 305-701
​South Korea
youngkey@smins.co.kr

 

著者​情報:

Kang-​Duck Ih
Hyundai Motor Group

図​1. ​SeeSV​サウンド​カメラ​は、​ヒュンダイ・​ジェネシス​の​エンジン​カバー​の​効果​の​確認​に​使用。
図​2. ​BSR​ノイズ​は​通常​の​エンジン​ノイズ​より​も​高い​周波数​スペクトル​で​生じる。
図​3. ​ノイズ​源​は​車両​の​ドア​と​窓​で​検出​さ​れる。
図​4. ​BSR​アレイ​と​比べ、​NVH​アプリケーション​は​より​大型​の​マイクロホン​アレイ​を​使用​する。
図​5. ​人間​工学​的​に​設計​さ​れ​た​取っ手​は​使い​やす​さ​を​向上。
図​6. ​システム​の​重量​は​2 kg(5 lb)​未満。