実験と解析の Hybrid SEA による自動車防音材の重量低減手法の開発
Development of Weight Reduction Techniques of Acoustic Insulation for
Vehicle by Hybrid SEA Based on Experiment and Analysis
精密工学専攻 18 号 倉田 一伸 Kazunobu Kurata
1. はじめに
近年，環境問題の影響から自動車排出ガスの削減は主要課 題となり，そのための車両軽量化は重要な要素技術となって きている．これまでにも，鉄やスチールなど重量が大きく強 度の高い部材から，複合材料や炭素繊維補強樹脂などの重量 が小さく強度の高い部材に変更することで軽量化を行った 事例は報告されている，しかし防音材の重量を削減すること で軽量化を行った事例はあまり報告されていない．防音材の 重量低減を行う上で問題になるのが，防音材の重量低減とト レードオフの関係にあり，製品の付加価値となる車室内静粛 性である．以前ならば車室内静粛性が優先されていたが，現 在のニーズを満たすには車室内静粛性を維持したまま防音 材の重量低減を行うことが急務とされ，それを実現するため の手法が必要とされている．
一般的な振動，騒音予測の手法として，有限要素法，境界 要素法が挙げられるが，これらの手法は低周波数帯域におい て高精度な予測が可能となる一方，固有モードが密となる高 周波数帯域においては精度が低下するため，あまり用いられ ず，防音材に関する検討にも有効に利用されていなかった．
こういった高周波数帯域における振動，騒音予測に有効な 手 法 と し て 統 計 的 エ ネ ル ギ 法 (SEA: Statistical Energy Analysis)
(1)
が挙げられる．SEA は，系を比較的大きな要素(以 下，Sub)に分割し，各固有モードが持つエネルギが，解析周 波数帯域において等分配されると考え，入力に対する要素間 の統計的なエネルギの流れを解析することで，固有モードが 密集する高周波数帯域においても高精度な予測結果を得る ことが可能となる手法である．SEA の中でも実験と解析の Hybrid SEA(以下，HSEA)という 手法が開発され，実車への適用も幾つか報告されている
(2)-(4)
． HSEA では実験から SEA パラメータである損失係数 (LF: Loss Factor)を測定し，それを解析 SEA(NSEA: Numerical SEA)モ デルに代入し，実験値を基に LF 調整を行うことでモデルを 作成する．しかし，自動車以外の構造物に適用された事例は あまり報告されておらず，LF 調整で考慮すべきエネルギの伝 播範囲や伝達経路の明確な把握方法は提案されていない．そこで本研究では一般構造物に適用することを考え，簡易 モデルを用いて LF 調整や伝達経路選定での不明確な部分の 明確化を行い，効率的に HSEA モデルを構築する手法を検討 し，車両モデルに適用することでその妥当性を確認する
(5)
． また，実車の HSEA モデルを作成し(6)
車室内静粛性を維持し たまま自動車防音材の重量低減を行う手法を開発する(7)
．2. 予測対象を限定した効率的な HSEA モデリ ングの検討
予測対象を限定せず，全 Sub の応答を高精度に予測するに は，LF 調整で考慮する Sub をできる限り多くする必要があり，
Sub 総数の増加に伴い LF 調整の工程も増加してしまう．それ を防ぐには，高精度に予測する対象を限定し考慮する Sub を 減らすことで，LF 調整の工程数を抑えることが可能となるが，
その際に考慮すべき Sub の範囲は明確に定められていない．
本章では，LF 調整で考慮する Sub の範囲が異なるモデルを 作成し，応答予測精度の比較を行ない，その結果から LF 調 整で考慮すべき Sub の範囲を把握する．
2.1 LF 調整で考慮する Sub の範囲が異なる簡易モデルの モデリング
対象とする簡易モデルを Fig. 1 に示す．縦，横，厚さが 150 mm，200 mm，1 mm の長方形アルミ板 6 枚を，ストラップ を介してボルト結合し各板を Sub 1～6 と定義する．実験で の支持方法は簡易モデルを紐で吊るした自由支持とする．加 振器により構造加振を行い，測定点数は各 Sub で 1 点加振 3 点応答とし，加振力と加速度を同時測定可能なインピーダン スヘッドと加速度計を用いて加振点と各 Sub の応答点との周 波数応答関数および加振する Sub 自身の時系列の加速度応答 の測定を行い，それより LF を算出する．
はじめに実稼動時に加振源となる入力 Sub を定義する．こ こでは Sub 1 を入力 Sub とする．次に，入力 Sub を加振した 際の入力 Sub 自身の応答エネルギと，他の Sub の応答エネル ギとのエネルギ比(ER: Energy Ratio)を指標として物理的に 結合していない Sub 間の伝達経路を選定する．しかし一般に，
経路として選定する明確な選定基準は提案されていない．
次に，選定した経路間にある Sub を加振し，周波数応答関 数と時系列の加速度応答を測定する．そして， 2 要素系のパ ワーフロー方程式と残響時間法により LF を算出し，それに 調整を加えたものを採用する．
LF 調整は，入力 Sub からのエネルギが伝播している Sub までを考慮し，入力 Sub と各 Sub との ER を指標に行う．そ の際，算出した LF と測定した ER から Sub に供給されるパワ ーの寄与率を求め，その値が変化しないように LF 調整を行 う．しかし一般に，伝播しているかどうかの明確な判断基準 は提案されていない．ここでは，モデルの伝達経路は隣接す る Sub 間のみとし，調整で考慮する Sub の範囲を Sub 1～
3(Model 1)，Sub 1～4(Model 2)，Sub 1～5(Model 3)，Sub 1
～6(Model 4)と変えた 4 つの HSEA モデルを作成する．
Combination
2 4 6
1 3 5
Combination
2 4 6
1 3 5
Fig. 1 Simple model
A v e . d iff. v e lo c it y le v e l d B 15
0
1 2 3
Model
4 Res. 4 Res. 5 Res. 6
A v e . d iff. v e lo c it y le v e l d B 15
0
1 2 3
Model
4 Res. 4 Res. 5 Res. 6
High transmission rate
Fig. 2 Comparison of measured and predicted vibration per 1 W excitation (ex. input sub and res. sub 6)
2.2 予測対象を限定した効率的な HSEA モデリングの検討 2.1 節で作成したモデルにより入力 Sub を 1 W 加振した際 の振動速度の予測結果を Fig. 2 に示す．横軸は予測に用い た各モデル番号，縦軸は予測値から測定値を引いた値の絶対 値を周波数平均した値，三角は Sub 4，ひし形は Sub 5，四 角は Sub 6 の結果であり，値が零に近いほど予測精度が高い ことを意味している．三角，ひし形，四角に対する予測精度 は，それぞれ点線で囲んだ Model 2，3，4 で最も高いことを 示している．
ここで，モデリングでの LF 調整で考慮する Sub 範囲と，
予測精度の関係を Model 2 を例に考える．この場合，調整の 範囲は入力 Sub である Sub 1 が範囲の始端， Sub 4 を終端と する経路に存在する Sub を考慮して，LF 調整を行ったと考え ることができる．これより，入力 Sub を始端，高精度な応答 予想が必要な対象を終端とする経路上の Sub を考慮し LF 調 整を行うことで，予測対象の Sub の応答を高精度に予測可能 であると考えられる．
3. 伝達経路選定における基準の検討
HSEA では複数の Sub で形成されるグローバルなモードの 影響を考慮するため，エネルギが伝播しているかどうかに関 わらず，物理的な結合のない入力 Sub と高精度な予測が必要 な Sub との間の経路を伝達経路として加える．しかし，それ 以外の隣接しない Sub 間の伝達経路を選定する明確な判定基 準は提案されていない．
本章では ER の値から，物理的な結合はないが多くのエネ ルギが伝播されている伝達経路を選定する判定基準を検討 し，選定された経路を加えた HSEA モデルにより応答予測を 行う．それにより，予測精度を確認することで提案した伝達 経路選定の基準の妥当性を確認する．
3.1 ER を用いた伝達経路の選定における選定基準の検討 Fig. 3 に入力 Sub を 1 W 加振した際の ER の測定値を示す．
横軸は Sub 番号，縦軸は ER のオーバオール値であり，縦軸 の値が正に大きい程入力 Sub からのエネルギ伝播が大きいこ とを意味する．これより，入力 Sub に隣接する Sub 2，3 と 同程度のエネルギが Sub 4 に伝達されていることがわかる．
これは入力 Sub から Sub 2，3 を介さず Sub 4 に供給され るエネルギが存在するためと予想され，モデリングの際は入 力 Sub と Sub 4 間の伝達経路を加えることで予測精度が向上 すると推定される．これより，伝達経路選定の判定基準は，
入力 Sub に隣接せず他の隣接する Sub と同程度の ER 値であ る Sub と，入力 Sub との間の経路を伝達経路として選定する という基準を提案する．
3.2 選定した伝達経路を有する HSEA モデルによる応答予測 3.1 節で提案した判定基準を基に伝達経路を選定した HSEA
O v er al l of en er g y rat io dB 8
-8
3 4 5
Subsystem
6
1 3 5
2 4 6
2 0
High transmission rate
O v er al l of en er g y rat io dB 8
-8
3 4 5
Subsystem
6
1 3 5
2 4 6
2 0
Fig. 3 Measured overall of energy ratio per 1 W excitation
2 1
3
4 6
5 Path between adjacent sub
Path between input sub and target sub Additional path
Input sub
Input sub Target sub Target sub
Input power 2 1
3
4 6
5 Path between adjacent sub
Path between input sub and target sub Additional path
2 1
3
4 6
5 Path between adjacent sub
Path between input sub and target sub Additional path
Input sub
Input sub Target sub Target sub
Input power
Fig. 4 Modified subsystem network of simple model
100 1000 10000
1/3 octave frequency Hz 20
-20 0
1 3 5 2 4 6
HSEA HSEA (target) HSEA (modify)
D iff. v e lo c ity le v e l d B
100 1000 10000
1/3 octave frequency Hz 20
-20 0
1 3 5 2 4 6
HSEA HSEA (target) HSEA (modify)
100 1000 10000
1/3 octave frequency Hz 20
-20 0
1 3 5 2 4 6
HSEA HSEA (target) HSEA (modify)
D iff. v e lo c ity le v e l d B
Fig. 5 Comparison of measured and predicted vibration per 1 W excitation (ex. input sub and res. sub 6)
モデルを作成し，入力 Sub を 1 W 加振した際の Sub 6 の振動 速度予測を行い，予測精度を確認することで提案した基準の 有用性を確認する．Fig. 4 に HSEA モデルのネットワーク図を示す．実線は隣 接する Sub 間の経路，破線は推定した経路，点線はグローバ ルなモードの影響を考慮するため入力 Sub と予測対象の Sub との間を結んだ経路である．LF 調整で考慮する Sub の範囲は，
2 章より始端を入力 Sub，終端を Sub 6 とする経路上に存在 する Sub 1～6 までとする．実線部のネットワークで構成さ るモデルを HSEA，それに点線を加えたモデルを HSEA(target), そこにさらに破線を加えたモデルを HSEA(modify)とし，Fig.
5 に 振 動 速度予 測 の 結 果を示 す ． 三 角は HSEA ， 四角 は HSEA(target)，ひし形は HSEA(modify)である．
これより，HSEA と HSEA(target)とでは後者の予測精度が 高く，入力 Sub と予測対象の Sub との間を結ぶ伝達経路の効 果を確認することができる．そして，提案した HSEA(modify) ではほとんど周波数帯域で値が零に近く，高精度な予測結果 を得られていることがわかり，提案した基準を基に伝達経路 を選定し，モデリングを行うことで，高精度な振動速度予測 が可能なモデルが作成されると考えられる．
D iff. S P L dB 20
-20 0
1000 3150
1/3 octave frequency Hz 20
-20 0
D iff. v e lo c ity le v e l d B
Res. ③
Res. ⑰ D iff. S P L dB 20
-20 0
1000 3150
1/3 octave frequency Hz 20
-20 0
D iff. v e lo c ity le v e l d B
Res. ③ Res. ⑰ Res. ③ Res. ⑰
4.提案したモデリングを用いた車両モデルの応答予測
車両モデルに提案したモデリングを適用することで HSEA モデルを作成し，応答予測を行い提案したモデリングの妥当 性を確認する．
4.1 提案したモデリングを適用した車両モデルの HSEA モデ ル作成
Fig. 6 に実験で用いる上面が鉄，それ以外はアクリルの車 両モデルを示す．Fig. 7 には車両モデルの Sub 分割を示す．
構造系 Sub が①～⑦，左右側面の⑧×2 と⑨×2 の 11 個，音 響系 Sub が⑩～⑮と左右の外部空間⑯×2 に内部空間⑰を加 えた計 9 個で構成されている．太枠の下面④を入力 Sub，予 測対象は内部空間⑰とし，提案したモデリングを適用する．
LF 算出のための実験は実車のタイヤを模擬した位置での 4 点支持により行う．
構造系 LF 算出ための測定はインパクトハンマによる構造 加振を行い，測定点数は各 Sub で 4 点加振 4 点応答とする．
音響系 LF はスピーカによる音響加振，測定点数はモデルの 外部空間を表す音響系 Sub は 1 点加振 2 点応答，内部空間は 4 点応答とし，体積加速度計とマイクロフォンを用いて行う．
3 章で提案した基準を基に伝達経路選定を行った結果，②と
③は ER のオーバオール値が入力 Sub④に隣接する①，⑤，⑨ と同程度の値となることがわかった．
これより，隣接しない Sub 間の伝達経路として④と②，③ 間の経路を加える．LF 調整で考慮する Sub は 2 章より，始端 を入力 Sub④，終端を予測対象⑰とした場合，範囲内の Sub は④に隣接する①，⑤，⑨となるが，ER の大きい②，③に関 係する LF の誤差は予測精度が低下する可能性があるため調 整の対象に加える．
Fig. 8 Comparison of measured and predicted different velocity level and SPL per 1W excitation (ex. str.
④ and res. str. ③ and aco. ⑰)
5. 実験と解析の HSEA モデルを用いた自動車 防音材の重量低減手法
実車の HSEA モデルを作成し，それを用いて車室内静粛性 を維持したまま防音材を削減することで重量低減を行う手 法を検討し，実車適用することでその有用性を検証する．
5.1 実車の HSEA モデルリング
実車を対象とし HSEA モデリングを行う．構造系 Sub が約 100 個，音響系 Sub が 25 個，車室内は一空間と考え，一つの 音響 Sub で定義する．今回，車室内静粛性が維持できている かの判断基準は，防音材の重量低減をする前の標準状態と比 べ，シャーシダイナモ上での走行テストでの車室内の音圧が 上昇してないかどうかで判断する．入力 Sub は走行テストに おいて，シャーシダイナモから実車に供給されるパワーを受 け取る要素とし，構造系入力 Sub が 8 個，音響系入力 Sub が 車室内を除く 25 個とする．
また，車室内応答として前部座席の応答平均のみを用いて LF を算出し，調整を行い作成したモデルを前部座席モデル，
後部座席の応答平均を用いたモデルを後部座席モデルとし，
2 つのモデルで車室内静粛性が維持できているか判断する．
4.2 提案したモデリングによる車両モデルの応答予測 車両モデルの④を加振器で 1 W 加振した際の③の振動速度 と⑰の音圧の予測結果を Fig. 8 に示す．縦軸は振動速度お よび音圧の予測値と測定値の差，横軸は 1/3 オクターブバン ド周波数を表す．これより，振動速度と音圧ともに良好な予 測結果を得られていることが確認でき，提案したモデリング の妥当性が確認できる．
LF 算出のため測定はインパクトハンマによる構造加振を 行い，測定点数は各 Sub で 3～5 点応答とし全応答点の各近 傍を加振し加速度計により測定を行う．音響系 LF はスピー カによる音響加振を行い，測定点数はモデルの外部空間を表 す音響系 Sub は 2～3 点加振，2～5 点応答としマイクロフォ ンにより測定を行う．車室内応答点は前部座席と後部座席の 耳位置にマイクロフォンを設置する．
x y z
Mic. 2 Mic. 1
Mic. 4 Mic. 3
60 92 36
Unit: mm x z y
x z y 50 50
5.2 加振実験による HSEA の音圧変化量予測
モデル上で重量削減の検討を行うには，車室内に添付され る防音材を変更した際の音圧変化量を予測可能であること が要求される. そこで，フロアーカーペットを撤去した際の 車室内の音圧変化量に対する予測精度を確認する．Fig. 9 にトランク下から 1 W の音響加振をした際の車室内の音圧変 化量を示す．横軸は 1/3 オクターブバンド周波数，縦軸はフ ロアーカーペットを撤去した際の前部座席での音圧変化量，
三角は測定値，四角はモデルによる予測値であり，音圧変化 量を高精度に予測できていることがわかる．また，後部座席 でも同様の結果が確認された．
Fig. 6 Experimental setup of vehicle model
⑩ ①
② ③ ⑧
⑨
⑫ ⑦ ⑬
⑭
⑮
⑯
Diagonal back view Diagonal front view
⑤ ⑥
④ Input sub
y x z
⑰
⑯
⑧
⑨
⑪
x y z
⑩ ①
② ③ ⑧
⑨
⑫ ⑦ ⑬
⑭
⑮
⑯
Diagonal back view Diagonal front view
⑤ ⑥
④ Input sub
y x z
⑰
⑯
⑧
⑨
⑪
x y z
5.3 走行テストによる HSEA の応答予測
走行テストにおいて，入力 Sub で測定される加速度と音圧 をエネルギ変換し，そのエネルギと LF より，走行テストに おいて入力 Sub に供給されるパワーを求め，それをモデルに 与えることで音圧予測を行う．Fig. 10 に走行テストでの車 室内の音圧を示す．横軸は 1/3 オクターブバンド周波数，縦 軸は前部座席の音圧であり，音圧を高精度に予測できている ことがわかる．後部座席でも同様の傾向が確認された．
5.4 HSEA モデルを用いた重量低減部品の抽出手順
下記の手順で防音材の重量低減を行う部品を抽出する．
Fig. 7 Subsystem of vehicle model
Dash insulator
⑭ ⑬
②
③
④
①
Floor carpet
⑲
⑧
⑥ ⑦
⑳
⑱
⑤ ⑰
⑮
⑫ ⑨
⑪ ⑩ ⑯ Dash insulator
⑭ ⑬
②
③
④
①
②
③
④
①
Floor carpet
⑲
⑧
⑥ ⑦
⑳
⑱ ⑲
⑧
⑥ ⑦
⑳
⑱
⑤ ⑰
⑮
⑫ ⑨
⑪ ⑩ ⑯ 10000
1/3 octave frequency Hz
D iff. SPL dB
100 1000
-4 4
Exp Cal 0
10000 1/3 octave frequency Hz
D iff. SPL dB
100 1000
-4 4
Exp Cal 0
Fig. 9 Different SPL of front seat of vehicle per 1 W excitation
10000 1/3 octave frequency Hz
SPL d B
100 20dB
1000
Exp Cal
10000 1/3 octave frequency Hz
SPL d B
100 20dB
1000
Exp Cal
Fig. 11 Candidates of weight reduction subsystem
10000 1/3 octave frequency Hz
D iff. S P L d B
100 1000
0 -4 4
Type 1 Type 2
10000 1/3 octave frequency Hz
D iff. S P L d B
100 1000
0 -4 4
Type 1 Type 2 Type 1 Type 2
Fig. 10 SPL of front seat of vehicle per operational ex.
(a)実車によるシャーシダイナモ上の走行テストで測定され
る車室内音を予測可能なHSEAモデルの作成．
Fig. 12 Experimental different SPL of front seat of vehicle per operational ex.
(b)走行テストでの車室内音に対し寄与の低いSubをHSEAモ デルのパワーフロー解析により抽出．
6. 研究成果
(c)抽出したSub毎に積層されている防音材を撤去した際の
車室内の音圧変化量をHSEAモデルにより予測． (1) 簡易モデルを用いて，実験と解析の HSEA の効率的なモ デリングを開発しその有用性を確認した．
(d)防音材を撤去した際に車室内の音圧変化量が少ないSub
で構成されている部品を重量低減部品として抽出． (2) 伝達経路選定の基準を提案し，それを適用した HSEA モ デルにより高精度な予測が可能であることを確認した．
5.5 HSEA モデルを用いた重量低減部品の抽出
(3) 提案したモデリングによる車両モデルを作成し，応答予 測を行うことでその妥当性を検証した．
走行テストにおいて，車室内に隣接する Sub から,車室内 へ入力されるパワーの寄与率を求め，周波数帯域毎に寄与の 低い削減候補 Sub を抽出する．このとき，ガラスや樹脂成型 品等，削減困難な Sub やルーフのように他の Sub から車室内 へ入力されたパワーの吸音を受け持つ Sub は除外する．次に，
削減候補 Sub 毎に添付されている防音材の撤去を個別に行い，
走行テストでの車室内の音圧変化量をモデル上で予測する．
その結果，Fig. 11 において太枠で囲まれる Sub⑬⑭⑯は音 圧変化量が大きく，削減候補として適当でないことがわかっ た．これより，削減候補 Sub で構成されている部品として，
ダッシュインシュレータとフロアーカーペットを抽出する．
(4) 実車の HSEA モデルを用いて車室内静粛性を維持したま ま防音材を削減することで重量低減する手法を開発し，
実車に適用することで，その有効性を検証した．
参考文献
(1)
R.H.Lyon, “Theory and Application of Statistical Energy Analysis 2nd edition”, BH, (1995).
(2) 見坐地 他，“自動車用ハイブリッド SEA モデル化技術の 開発”，自動車技術会春季学術講演会前刷集，Vol. 72，
No. 4，pp. 13-18，（2004）． 5.6 静粛性を維持したまま重量を低減した防音材構造検討
(3) 倉 田 他 ，”位 置 座 標 を考慮 し た 実 験と解 析 に よ る Hybrid SEA-自動車車室内モデルによる音圧予測手法の 検討”，日本音響学会講演論文集（春），pp. 975-976,
（2009）.
抽出した部品に添付される防音材の重量低減をモデル上 で検討する．抽出した部品に添付される防音材で重量が大き いものを選び，実質的に可能な限り重量を削減させた積層構 造 Type 1 と，フロアーカーペットを吸音タイプに変更した 積層構造 Type 2 の適用を検討する．走行テストにおいて，
標準状態から Type 1 ，2 に変更した際の車室内の音圧変化 量を予測した結果，前部および後部座席での音圧変化量は 1 dB 以内であることから，静粛性は維持されると予想される．
(4) 倉 田 他 ，”位 置 座 標 を考慮 し た 実 験と解 析 に よ る Hybrid SEA-自動車車室内における音圧予測と精度検 証”，日本音響学会講演論文集（春），pp. 977-978,
（2009）.
(5) 倉田 他，“実験と解析による Hybrid SEA のための予測 精度向上モデリング手法の開発”，日本音響学会講演論 文集（春），1-3-11，（2010）．
5.7 検討した防音材構造の実車への適用
検討した防音材構造を実車に適用し，静粛性が維持される か検証する．Type 1，2 を各々実車に適用した状態で走行テ ストを行う．Fig. 12 は標準状態から Type 1, 2 に変更した 際の走行テストでの前部座席の音圧変化量である．Type 1 , 2 にすることで，防音材重量は-5 kg 低減され，音圧変化量 は各周波数帯域で 1 dB 程度となり，後部座席でも同様の傾 向が確認された．これより，提案手法を用いて自動車防音材 の重量低減を行うことで，車室内静粛性を維持したまま車両 軽量化を実現できることが検証できた．
(6) 倉田 他，”実験と解析による Hybrid SEA を用いた高精 度な自動車モデリング手法の開発”,自動車技術会春季 学術講演会前刷集，vol. 85，No. 9，pp. 1-2,（2009）.
(7) 倉田 他，”実験と解析の Hybrid SEA による自動車防音 材の重量低減手法”,自動車技術会春季学術講演会前刷 集，vol. 85，No. 9，pp. 3-4,（2009）.
