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JP7690844B2 - Method for identifying modal parameters, device for identifying modal parameters, and program - Google Patents
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Method for identifying modal parameters, device for identifying modal parameters, and program Download PDF

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Description

本開示は、モーダルパラメータの同定方法、モーダルパラメータの同定装置およびプログラムに関する。 This disclosure relates to a method for identifying modal parameters, and an apparatus and program for identifying modal parameters.

構造物の物理モデルにおける動特性を求める手法としては、次のような技術が挙げられる。例えば、非特許文献1には、1点加振多点参照(SIMO: Single-Input Multi-Output)方式で求めた構造物のインパルス応答をリファレンスとして用いることで、一般粘性減衰系モデルにおける複素固有値を同定する技術が記載されている。また、非特許文献2には、多点加振多点参照(MIMO: Multi-Input Multi-Output)方式で求めた構造物の周波数応答をリファレンスとして用いることで、一般粘性減衰系モデルにおける複素固有値と複素固有モードとを同定する技術が記載されている。 Methods for determining the dynamic characteristics of a physical model of a structure include the following technologies. For example, Non-Patent Document 1 describes a technology for identifying complex eigenvalues in a general viscous damping system model by using the impulse response of a structure determined by a single-point excitation, multi-point reference (SIMO: Single-Input Multi-Output) method as a reference. In addition, Non-Patent Document 2 describes a technology for identifying complex eigenvalues and complex eigenmodes in a general viscous damping system model by using the frequency response of a structure determined by a multi-point excitation, multi-point reference (MIMO: Multi-Input Multi-Output) method as a reference.

Kerem Ege, Xavier Boutillon, Bertrand David. High-resolution modal analysis. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2009, 325 (4-5), p.852-869.Kerem Ege, Xavier Boutillon, Bertrand David. High-resolution modal analysis. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2009, 325 (4-5), p.852-869. 日本音響学会 編、「音・振動のモード解析と制御」コロナ社、1996年、p.110-114.Acoustical Society of Japan, ed., "Modal Analysis and Control of Sound and Vibration," Corona Publishing, 1996, pp.110-114.

しかしながら、非特許文献1に記載された技術では、1点加振多点参照方式であるために、複素固有モードの高精度な同定が困難である。非特許文献2に記載された技術では、多点加振多点参照方式であるために、非特許文献1に記載された技術を用いた場合に比べ複素固有モードの同定精度は高いものの、複素固有値の高精度な同定が困難であり、また、複素固有値と複素固有モードとを同時に同定するので、大規模な構造物への適用が困難である。 However, the technology described in Non-Patent Document 1 uses a single-point excitation and multi-point reference method, making it difficult to identify complex eigenmodes with high accuracy. The technology described in Non-Patent Document 2 uses a multi-point excitation and multi-point reference method, so although the accuracy of identifying complex eigenmodes is higher than when using the technology described in Non-Patent Document 1, it is difficult to identify complex eigenvalues with high accuracy, and since complex eigenvalues and complex eigenmodes are identified simultaneously, it is difficult to apply this technology to large-scale structures.

本開示の一態様に係るモーダルパラメータの同定方法は、コンピューターが、空気中に存在する場合の構造物の物理モデル、または、構造物が付随する場合の空気の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定するモーダルパラメータ同定方法であって、前記コンピューターが、前記空気中に存在する場合の前記構造物の周波数応答、または、前記構造物が付随する場合の前記空気の周波数応答を算出する第1過程と、前記コンピューターが、前記周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第2過程と、前記コンピューターが、前記周波数応答をリファレンスとして、前記構造物における加振点の複素固有モード、または、前記空気における加振点の複素固有モードを同定する第3過程と、を含む。 A method for identifying modal parameters according to one aspect of the present disclosure is a method for identifying modal parameters in a physical model of a structure when it exists in the air, or in a physical model of the air when the structure is attached, by a computer, and includes a first step in which the computer calculates a frequency response of the structure when it exists in the air, or a frequency response of the air when the structure is attached, a second step in which the computer identifies complex eigenvalues using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference, and a third step in which the computer identifies a complex eigenmode of a vibration point in the structure, or a complex eigenmode of a vibration point in the air, by using the frequency response as a reference.

物理モデルを説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a physical model. モーダルパラメータの同定処理を実行するコンピューターを示す図である。FIG. 13 illustrates a computer that executes a process for identifying modal parameters. コンピューターにおける機能的な構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of a computer. モーダルパラメータの同定処理を実行するコンピューターを示す図である。FIG. 13 illustrates a computer that executes a process for identifying modal parameters. モーダルパラメータの同定処理を実行するコンピューターを示す図である。FIG. 13 illustrates a computer that executes a process for identifying modal parameters. 参照FRとモード合成によるFRとがほぼ一致していることを示す図である。11 is a diagram showing that the reference FR and the FR obtained by mode synthesis are almost identical to each other. 参照FRとモード合成によるFRとがほぼ一致していることを示す図である。11 is a diagram showing that the reference FR and the FR obtained by mode synthesis are almost identical to each other. 参照FRとモード合成によるFRとがほぼ一致していることを示す図である。11 is a diagram showing that the reference FR and the FR obtained by mode synthesis are almost identical to each other. 参照FRとモード合成によるIRとがほぼ一致していることを示す図である。A figure showing that the reference FR and the IR due to mode synthesis are almost the same. 参照FRとモード合成によるIRとがほぼ一致していることを示す図である。A figure showing that the reference FR and the IR due to mode synthesis are almost the same. 参照FRとモード合成によるIRとがほぼ一致していることを示す図である。A figure showing that the reference FR and the IR due to mode synthesis are almost the same. 真空中の周波数応答と空気中の周波数応答とを示す図である。FIG. 2 shows frequency response in a vacuum and frequency response in air.

以下、本開示の実施形態に係るモーダルパラメータの同定方法について図面を参照して説明する。
なお、各図において、各部の寸法および縮尺は、実際のものと適宜に異ならせてある。また、以下に述べる実施の形態は、好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
Hereinafter, a method for identifying modal parameters according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
In each drawing, the dimensions and scale of each part are appropriately different from the actual ones. In addition, since the embodiments described below are preferred specific examples, various technically preferable limitations are attached, but the scope of the present invention is not limited to these embodiments unless otherwise specified in the following description to the effect that the present invention is limited.

まず、線形を仮定することが可能な構造物の時間領域シミュレーションを実行する場合、構造物モデルの変位を固有モードの重ね合わせとして表現する「モード合成法」は、コストパフォーマンスの最も高い解析手法として知られている。真空中に置かれた構造物モデルであれば、当該構造物のモーダルパラメータ、即ち、実固有値および実固有モードを高い精度で算出する手法が既に確立している。有限要素法(Finite Element Method : FEM)を用いた固有値解析は、このための最も強力な手法として知られている。 First, when performing a time-domain simulation of a structure that can be assumed to be linear, the "modal synthesis method," which expresses the displacement of a structural model as a superposition of eigenmodes, is known as the most cost-effective analysis method. For a structural model placed in a vacuum, a method has already been established to calculate the modal parameters of the structure, i.e., the real eigenvalues and real eigenmodes, with high accuracy. Eigenvalue analysis using the finite element method (FEM) is known as the most powerful method for this purpose.

一方、空気中、詳細には、ある程度以上の大きさの室内、無音響室または屋外に置かれた大規模な構造物モデルの高精度なモーダルパラメータの算出は、極めて困難であると言わざるを得ない。この理由は、空気中に置かれた構造物モデルに対して、空気と構造との連成を考慮した上で有限要素法を用いて固有モードを同定することは、モデルが大きくなるにつれ、あるいは、解析周波数が高くなるにつれ、計算の規模が著しく大きくなり、その結果、計算コストが非現実的に高くなってしまうためである。音響構造連成問題に対する有限要素法にかわるコストパフォーマンスの高い数値解析手法として高速多重極境界要素法 (Fast Multipole Boundary Element Method : FMBEM)が知られているが、この手法で求まるものは周波数応答であって、固有モードではない。要するに、大規模な「空気中に置かれた構造物」の固有モードを現実的な計算コストで高精度に算出する方法はこれまで提案されてこなかった。 On the other hand, it must be said that it is extremely difficult to calculate highly accurate modal parameters for a large-scale structural model placed in air, specifically, in a room of a certain size or larger, in an acoustically silent room, or outdoors. The reason for this is that when identifying the eigenmodes of a structural model placed in air while considering the interaction between the air and the structure using the finite element method, the scale of calculations becomes significantly larger as the model becomes larger or the analysis frequency becomes higher, resulting in unrealistically high calculation costs. The Fast Multipole Boundary Element Method (FMBEM) is known as a cost-effective numerical analysis method to replace the finite element method for acoustic-structural interaction problems, but this method determines frequency responses, not eigenmodes. In short, no method has been proposed to calculate the eigenmodes of a large-scale "structure placed in air" with high accuracy at a realistic calculation cost.

図12は、構造物の一例として、ある楽器の響板について、真空中の周波数応答と、空気中の周波数応答とを計算した結果を示す図である。この例が示す通り、構造物によっては、真空中の周波数応答と、空気中の周波数応答の間に無視できない差がある場合がある。このような差が生じる主な理由は、空気中では、真空中と比較して、空気の質量効果によって固有振動数が低くなることに加え、振動のエネルギーが音響放射のために消費されて減衰が大きくなるためである。
なお、図12において、当該構造物の真空中における周波数応答は、当該構造物の有限要素固有値解析の結果として得られる固有モードの重ね合わせとして算出した応答である。空気中における周波数応答は、上記の真空中構造物の有限要素固有値解析の結果を用いながら、構造物が無響室に置かれている場合を仮定して、高速多重極境界要素法による音響構造連成解析を実施することで算出した応答である。
12 is a diagram showing the results of calculating the frequency response in a vacuum and in air for the soundboard of a certain musical instrument as an example of a structure. As this example shows, depending on the structure, there may be a non-negligible difference between the frequency response in a vacuum and the frequency response in air. The main reason for this difference is that in air, the natural frequency is lower than in a vacuum due to the mass effect of air, and in addition, the energy of vibration is consumed for acoustic radiation, resulting in greater attenuation.
12, the frequency response of the structure in a vacuum is a response calculated as a superposition of eigenmodes obtained as a result of a finite element eigenvalue analysis of the structure. The frequency response in air is a response calculated by performing an acoustic-structural coupling analysis by the fast multipole boundary element method using the results of the finite element eigenvalue analysis of the above-mentioned vacuum structure, assuming that the structure is placed in an anechoic chamber.

さて、構造物の固有モードを実験的に同定する手法は、非特許文献1あるいは非特許文献2に記載されている方法を含め、これまでに多くの手法が提案されており、実験モード同定ソフトとして製品化もされている。
しかしながら、実験では高品質の周波数応答を大量に取得することがそもそも困難なために、実験的モード同定を目的として開発されてきた従来の手法では、せいぜい数個から数十個程度の固有モードを同定することしか想定されておらず、必然的に大規模モデルには対応できない。
Now, many methods have been proposed so far for experimentally identifying the eigenmodes of a structure, including the methods described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2, and these have also been commercialized as experimental mode identification software.
However, because it is difficult to obtain a large number of high-quality frequency responses through experiments, conventional methods developed for experimental modal identification are only designed to identify a few to a few dozen eigenmodes at most, and are therefore unable to handle large-scale models.

図1は、空気中に置かれた構造物、あるいは、構造物が付随する空気に対する入力と応答を示す概念図である。 Figure 1 is a conceptual diagram showing the input and response of a structure placed in air, or the air to which the structure is attached.

本実施形態では、第1に、空気と構造物との連成系を特に線形連成系Lcと表記し、当該線形連成系Lcを一般粘性減衰系モデルで表現することにした。
本体と空気とから成る連成系、即ち、音響構造連成系を一般粘性減衰系モデルで表現できることの理論的根拠は、構造変位と空気速度ポテンシャルを「時間および空間に依存する変数」とした場合の有限要素法による音響構造連成運動方程式が、形式的に実対称の質量行列、減衰行列、剛性行列によって書き表せることにある。この3つの実対称行列から構成される運動方程式の形は、(比例粘性減衰ではない)一般的な粘性減衰を有する構造物のモデル、即ち一般粘性減衰系モデルの有限要素法による運動方程式の形と数学的に同じである。
なお、音響構造連成系を一般粘性減衰系モデルで表現することの利点は、このモデルの固有モードが広義の直交性を有することにある。このとき、モード合成法を用いた高速な時間領域シミュレーションが可能になるのである。
In this embodiment, firstly, the coupled system between the air and the structure is particularly represented as a linear coupled system Lc, and the linear coupled system Lc is expressed by a general viscous damping system model.
The theoretical basis for being able to express a coupled system consisting of a body and air, i.e., an acoustic-structural coupled system, with a general viscous damping model is that the acoustic-structural coupled equations of motion calculated using the finite element method, where the structural displacement and air velocity potential are "variables that depend on time and space," can be formally expressed using real symmetric mass matrices, damping matrix, and stiffness matrix. The form of the equations of motion consisting of these three real symmetric matrices is mathematically the same as the form of the equations of motion calculated using the finite element method for a model of a structure with general viscous damping (not proportional viscous damping), i.e., a general viscous damping model.
The advantage of expressing an acoustic-structural interaction system with a general viscous damping model is that the eigenmodes of this model are orthogonal in a broad sense, which allows for fast time-domain simulations using the mode synthesis method.

一般粘性減衰系モデルにおけるインパルス応答(Impulse Response)は、次式(1)のように示される。

Figure 0007690844000001
また、一般粘性減衰系モデルにおける周波数応答(Frequency Response)は、次式(2)のように示される。
Figure 0007690844000002
The impulse response in the general viscous damping system model is expressed as the following equation (1).
Figure 0007690844000001
Moreover, the frequency response in the general viscous damping system model is expressed as in the following equation (2).
Figure 0007690844000002

式(1)または式(2)において、jは虚数単位であり、*は複素共役であり、rはモード次数である。iは加振点のインデクッスであり、lは応答点のインデックスである。
λは複素固有値であり、λ=-σ+jωdrで示される。
σはモード減衰率であり、ωdrは減衰固有角振動数である。
In formula (1) or formula (2), j is the imaginary unit, * is the complex conjugate, r is the mode number, i is the index of the excitation point, and l is the index of the response point.
λ r is a complex eigenvalue, and is expressed as λ r =-σ r +jω dr .
σ r is the modal damping ratio and ω dr is the damped natural angular frequency.

rilはモード留数であり、次式(3)で示される。

Figure 0007690844000003
なお、式(3)において、
riは、加振点iにおける複素固有モードの実部であり、
riは、加振点iにおける複素固有モードの虚部である。 R ril is the modal residue and is given by the following equation (3).
Figure 0007690844000003
In addition, in the formula (3),
x ri is the real part of the complex eigenmode at excitation point i,
y ri is the imaginary part of the complex eigenmode at excitation point i.

線形連成系Lcを一般粘性減衰系モデルで表現する場合に重要となる点は、当該一般粘性減衰系モデルのモーダルパラメータをいかに精度よく決定することができるか、という点にある。
このため、本実施形態では、第2に「高速多重極境界要素法を用いて多点加振多点参照(MIMO)方式で算出した線形連成系の周波数応答」をリファレンスとして、一般粘性減衰系モデルにフィットするようにモーダルパラメータである複素固有値と複素固有モードを同定することにした。
When expressing the linear coupled system Lc by a general viscous damping system model, it is important to determine with high accuracy the modal parameters of the general viscous damping system model.
For this reason, in this embodiment, secondly, the “frequency response of a linear coupled system calculated by the multi-point excitation multi-point reference (MIMO) method using the fast multipole boundary element method” is used as a reference to identify the complex eigenvalues and complex eigenmodes, which are modal parameters, so as to fit the general viscous damping system model.

図2は、本実施形態に係るモーダルパラメータの同定方法を実行するコンピューター10のブロック図である。本実施形態に係るモーダルパラメータの同定方法は、コンピューターとソフトウェアとの協働により実現される。
コンピューター10は、制御装置11と記憶装置12とを含む。
2 is a block diagram of a computer 10 that executes the method for identifying modal parameters according to this embodiment. The method for identifying modal parameters according to this embodiment is realized by cooperation between a computer and software.
The computer 10 includes a control device 11 and a storage device 12 .

制御装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)等の単数または複数の処理回路で構成され、コンピューター10の各要素を統括的に制御する。なお、制御装置11は、CPUのほか、DSP(Digital Signal Processor)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等の回路によって構成されてもよい。 The control device 11 is composed of one or more processing circuits, such as a CPU (Central Processing Unit), and controls each element of the computer 10 in an integrated manner. The control device 11 may be composed of circuits such as a DSP (Digital Signal Processor) and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in addition to a CPU.

記憶装置12は、例えば磁気記録媒体または半導体記録媒体等の公知の記録媒体で構成された単数または複数のメモリーであり、制御装置11が実行するプログラムと制御装置11が使用する各種のデータとを記憶する。なお、複数種の記録媒体の組合せにより記憶装置12を構成してもよい。また、コンピューター10に対して着脱可能な可搬型の記録媒体、または、コンピューター10が通信網を介して通信可能な外部記録媒体(例えばオンラインストレージ)を、記憶装置12として利用してもよい。 The storage device 12 is a single or multiple memories configured with known recording media such as magnetic recording media or semiconductor recording media, and stores the programs executed by the control device 11 and various data used by the control device 11. The storage device 12 may be configured by combining multiple types of recording media. Also, a portable recording medium that can be attached to and detached from the computer 10, or an external recording medium (e.g., online storage) with which the computer 10 can communicate via a communication network may be used as the storage device 12.

図3は、制御装置11の機能的な構成を例示するブロック図である。制御装置11は、記憶装置12に記憶されたプログラムを実行することで、モーダルパラメータを同定するための複数の要素(処理制御部110、前処理部111、算出部112、第1同定部115、第2同定部116および第3同定部117)として機能する。
なお、制御装置11における機能の一部を他の装置、例えばネットワークを介して接続されたサーバ装置に負担させる構成としてもよい。
3 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the control device 11. The control device 11 executes a program stored in the storage device 12 to function as a plurality of elements (a processing control unit 110, a preprocessing unit 111, a calculation unit 112, a first identification unit 115, a second identification unit 116, and a third identification unit 117) for identifying modal parameters.
It should be noted that some of the functions of the control device 11 may be implemented by another device, for example, a server device connected via a network.

次に、コンピューター10においてモーダルパラメータを同定する手順について説明する。
図4は、モーダルパラメータを同定する手順を例示するフローチャートである。
Next, a procedure for identifying modal parameters in the computer 10 will be described.
FIG. 4 is a flow chart illustrating a procedure for identifying modal parameters.

まず、コンピューター10における処理制御部110は、前処理部111に対して次のステップS11からステップS14までの処理を実行させて、線形連成系Lcを表す一般粘性減衰系モデルのモーダルパラメータの同定に必要な準備をする。
具体的には、前処理部111は、構造物を構成する材料についての弾性係数およびヒステリシス減衰係数の三次元直交異方性を考慮した上で、当該構造物の三次元有限要素モデルを作成し、当該三次元有限要素モデルの質量行列、減衰行列および剛性行列を算出する(ステップS11)。
前処理部111は、当該三次元有限要素モデルに対し、接着、ボルト締めなどの製造工程に伴う接触非線形と幾何学的非線形とを考慮して、非線形静解析を実施し、ステップS11で算出した剛性行列を修正する(ステップS12)。なお、ステップS12は、処理の簡略化のためにスキップしてもよい。
First, the processing control unit 110 in the computer 10 causes the preprocessing unit 111 to execute the processes from the next step S11 to step S14, thereby making the preparations required for identifying the modal parameters of the general viscous damping system model representing the linear coupled system Lc.
Specifically, the pre-processing unit 111 creates a three-dimensional finite element model of the structure, taking into account the three-dimensional orthotropy of the elastic coefficient and hysteresis damping coefficient of the material constituting the structure, and calculates the mass matrix, damping matrix, and stiffness matrix of the three-dimensional finite element model (step S11).
The pre-processing unit 111 performs a nonlinear static analysis on the three-dimensional finite element model, taking into consideration contact nonlinearity and geometric nonlinearity associated with manufacturing processes such as bonding and bolting, and corrects the stiffness matrix calculated in step S11 (step S12). Note that step S12 may be skipped to simplify the process.

前処理部111は、ステップS11で算出した、または、ステップS12で修正した、質量行列および剛性行列をインプットとして、当該三次元有限要素モデルが真空中に存在する場合の、即ち空気が存在しない場合の、当該三次元有限要素モデルの実固有値および実固有モードを固有値解析により算出する(ステップS13)。
前処理部111は、ステップS11で算出した減衰行列とステップS13で算出した実固有モードとをインプットとして、当該構造物の三次元有限要素モデルが真空中に存在する場合のモード減衰行列を算出する(ステップS14)。
The pre-processing unit 111 uses as input the mass matrix and stiffness matrix calculated in step S11 or modified in step S12, and calculates the real eigenvalues and real eigenmodes of the three-dimensional finite element model when the three-dimensional finite element model exists in a vacuum, i.e., when no air is present, by eigenvalue analysis (step S13).
The pre-processing unit 111 uses the damping matrix calculated in step S11 and the real eigenmode calculated in step S13 as input, and calculates a modal damping matrix for the case in which the three-dimensional finite element model of the structure exists in a vacuum (step S14).

次に、処理制御部110は、算出部112、第1同定部115、第2同定部116および第3同定部117に、次の処理を実行させて、一般粘性減衰系モデルのモーダルパラメータ(複素固有値および複素固有モード)を同定する(ステップS15)。 Next, the processing control unit 110 causes the calculation unit 112, the first identification unit 115, the second identification unit 116, and the third identification unit 117 to execute the following processing to identify the modal parameters (complex eigenvalues and complex eigenmodes) of the general viscous damping system model (step S15).

図5は、図4におけるステップS15の手順を詳細に例示するフローチャートである。
算出部112は、線形連成系Lcの三次元モデルを解析して、当該線形連成系Lcの周波数応答を、例えば高速多重境界法(Fast Multipole Boundary Element Method)または有限要素法を用いて算出する(ステップS151)。この解析で算出される周波数応答は、線形連成系Lcにおける加振点iでの力に対して、応答点lの変位の応答である。
FIG. 5 is a flowchart illustrating in detail the procedure of step S15 in FIG.
The calculation unit 112 analyzes a three-dimensional model of the linear coupled system Lc and calculates the frequency response of the linear coupled system Lc by using, for example, the fast multipole boundary element method or the finite element method (step S151). The frequency response calculated by this analysis is the response of the displacement of the response point l to the force at the excitation point i in the linear coupled system Lc.

ここでは、加振点iの総数をm個、応答点lの総数をn個とする。ある一つの加振位置において加振方向が例えばx方向、y方向およびz方向のように複数ある場合には、それぞれを1個の加振点として区別することにする。応答点lについても同様である。応答点lの集合は、加振点iの集合を含んでいるものとする。mとnとは、n≧m≧2を満たす整数である。 Here, the total number of excitation points i is m, and the total number of response points l is n. When there are multiple excitation directions at a given excitation position, such as the x-direction, y-direction, and z-direction, each is distinguished as a single excitation point. The same applies to response points l. The set of response points l includes the set of excitation points i. m and n are integers that satisfy n ≥ m ≥ 2.

第1同定部115は、算出した周波数応答の逆高速フーリエ変換(Inverse Fast Fourier Transform)をリファレンスとして、線形連成系における複素固有値λ(=-σ+jωdr)を例えばESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)により同定する(ステップS152)。
なお、複素固有値の同定に際し、例えば上記m点における自己インパルス応答が参照される。また、複素固有値の同定についてはProny法を用いてもよいが、ESPRITに比べ同定精度が劣る傾向がある。
The first identification unit 115 identifies a complex eigenvalue λ r (=-σ r +jω dr ) in the linear coupled system using an inverse fast Fourier transform of the calculated frequency response as a reference, for example, by ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) (step S152).
In addition, when identifying the complex eigenvalues, for example, the auto-impulse response at the m points is referred to. In addition, the Prony method may be used to identify the complex eigenvalues, but the identification accuracy tends to be inferior to that of ESPRIT.

第2同定部116は、算出した周波数応答をリファレンスとして、線形連成系Lcの加振点iにおける複素固有モードを、非線形最適化法を用いて同定する(ステップS153)。非線形最適化法の例としては、BFGSアルゴリズム(Broyden Fletcher Goldfarb Shanno algorithm)を用いた、直線探索法を伴う準ニュートン法、または、信頼領域法を伴う修正ガウスニュートン法(Levenberg-Marquardt法とも呼ばれる)が挙げられる。大規模な問題に対しては、前者の方法の方がより強力である。加振点iにおける複素固有モードの実部および虚部は、具体的には、後述する式(5)の右辺第1項におけるxriおよびyriで表される。なお、加振点iにおける複素固有モードの同定に際し、例えば m・(m+1)/2点における自己および相互周波数応答が参照される。 The second identification unit 116 uses the calculated frequency response as a reference to identify the complex eigenmode at the excitation point i of the linear coupled system Lc using a nonlinear optimization method (step S153). Examples of the nonlinear optimization method include a quasi-Newton method with a line search method using the BFGS algorithm (Broyden Fletcher Goldfarb Shanno algorithm), or a modified Gauss-Newton method (also called the Levenberg-Marquardt method) with a trust region method. For large-scale problems, the former method is more powerful. The real and imaginary parts of the complex eigenmode at the excitation point i are specifically represented by x ri and y ri in the first term on the right side of Equation (5) described later. In addition, when identifying the complex eigenmode at the excitation point i, for example, the self- and cross-frequency responses at m·(m+1)/2 points are referenced.

第3同定部117は、周波数応答をリファレンスとして、線形連成系Lcにおいて加振点i以外の応答点lにおける複素固有モードを、線形最適化法を用いて同定する(ステップS154)。線形最適化法の例としては、QR分解法、または、特異値分解法が挙げられる。応答点lにおける複素固有モードの実部および虚部は、具体的には、後述する式(5)の右辺第1項におけるxrlおよびyrlで表される。なお、応答点lにおける複素固有モードの同定に際し、例えば m・(n-m)点における相互周波数応答が参照される。 The third identification unit 117 uses the frequency response as a reference to identify a complex eigenmode at a response point l other than the excitation point i in the linear coupled system Lc by using a linear optimization method (step S154). Examples of the linear optimization method include the QR decomposition method and the singular value decomposition method. Specifically, the real part and the imaginary part of the complex eigenmode at the response point l are represented by x rl and y rl in the first term on the right side of Equation (5) described later. Note that, when identifying the complex eigenmode at the response point l, for example, the cross frequency response at the m·(n−m) point is referenced.

なお、線形連成系Lcの規模がそれほど大きくない場合、あるいは、固有モードを出力したい点がそれほど多くない場合は、ステップS151における周波数応答解析の計算コストがそれほど大きくならないため、n=mとしてもよい。この場合、ステップS154はスキップされる。 If the scale of the linear coupled system Lc is not very large, or if there are not many points for which you want to output eigenmodes, the computational cost of the frequency response analysis in step S151 will not be very high, so n may be set to m. In this case, step S154 is skipped.

ステップS151~S154によって一般粘性減衰系モデルのモーダルパラメータ(複素固有値および複素固有モード)が同定される。 The modal parameters (complex eigenvalues and complex eigenmodes) of the general viscous damping system model are identified in steps S151 to S154.

同定について、次の式(4)および式(5)を参照して説明する。

Figure 0007690844000004
Figure 0007690844000005
The identification will be explained with reference to the following equations (4) and (5).
Figure 0007690844000004
Figure 0007690844000005

同定とは、式(5)において左辺を、右辺第1項の 「モデルを用いて再合成した周波数応答」から右辺第2項の「リファレンスの周波数応答」を減じた残差、として表した場合に、式(4)の右辺で示されるように、当該残差の二乗和を最小とする値(実部、虚部)を求めることをいう。 Identification means finding the value (real part, imaginary part) that minimizes the sum of squares of the residual, as shown on the right side of equation (4), when the left side of equation (5) is expressed as the residual obtained by subtracting the "reference frequency response" in the second term on the right side from the "frequency response resynthesized using the model" in the first term on the right side.

次に、本実施形態において一般粘性減衰系モデルにおいて同定されたモーダルパラメータが、どの程度までリファレンスに近づくか、について説明する。 Next, we will explain to what extent the modal parameters identified in the general viscous damping system model in this embodiment approach the reference.

図6乃至図8は、異なる3点(point 1~3)において、リファレンスとした周波数応答(実線)に対して、モード合成による周波数応答(○印)を示す図である。図6乃至図8では、周波数に対する位相および振幅の特性が左欄に、周波数に対する実部および虚部の特性が右欄に、それぞれ示される。
図6乃至図8に示されるように、リファレンスとした周波数応答に対して、モード合成による周波数応答が、ほぼ一致しており、高い精度で同定が成立していることが判る。
6 to 8 are diagrams showing frequency responses (circles) due to mode synthesis at three different points (points 1 to 3) relative to a reference frequency response (solid line). In each of the figures, the left column shows phase and amplitude characteristics relative to frequency, and the right column shows real and imaginary characteristics relative to frequency.
As shown in FIG. 6 to FIG. 8, the frequency response due to mode synthesis almost coincides with the reference frequency response, and it is understood that identification is established with high accuracy.

図9乃至図11は、上記3点(point 1~3)において、リファレンスとした周波数応答のIFFTとしてのインパルス応答(実線)に対して、モード合成によるインパルス応答(○印)を示す図である。
図9乃至図11に示されるように、リファレンスとしたインパルス応答に対して、モード合成によるインパルス応答が、ほぼ一致しており、高い精度で同定が成立していることが判る。
9 to 11 are diagrams showing impulse responses (circles) due to mode synthesis against impulse responses (solid lines) as IFFT of frequency responses used as references at the above three points (points 1 to 3).
As shown in FIG. 9 to FIG. 11, the impulse response by mode synthesis almost coincides with the reference impulse response, and it is understood that the identification is established with high accuracy.

なお、実施形態では、「空気中に存在する場合の構造物」の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定したが、当該「構造物が付随する場合の空気」の物理モデルにおけるモーダルパラメータについても同様に同定することができる。
前者において、ステップS151の「空気中構造物の周波数応答解析」を実施するところを、後者においては、「構造物が付随する場合の空気の周波数応答解析」を実施する、という違いがあるのみである。ただし、前者において算出すべき周波数応答は「構造変位のフーリエ変換」/「構造に与える加振力のフーリエ変換」であるのに対し、後者において算出すべき周波数応答は「空気の圧力のフーリエ変換」/「空気の流量のフーリエ変換」となる。
In the embodiment, the modal parameters in the physical model of the "structure in the air" are identified, but the modal parameters in the physical model of the "air accompanied by the structure" can also be identified in a similar manner.
The only difference is that in the former, "frequency response analysis of airborne structure" is performed in step S151, whereas in the latter, "frequency response analysis of air when a structure is attached" is performed. However, while the frequency response to be calculated in the former is "Fourier transform of structural displacement"/"Fourier transform of excitation force applied to structure", the frequency response to be calculated in the latter is "Fourier transform of air pressure"/"Fourier transform of air flow rate".

本実施形態に係るモーダルパラメータの同定方法によれば、複素固有値の同定と複素固有モードの同定とが分離して実行されるので、加振点および応答点を多数として、「空気中に存在する大規模な構造物」の物理モデル、あるいは、「大規模な構造物が付随する空気」の物理モデルへの適用が容易になる。このため、従来手法では困難だった「空気中に置かれた大規模な構造物」、あるいは、「大規模な構造物が付随する空気」の動特性を、シミュレーションによって効率よく予測することが可能となる。 According to the method for identifying modal parameters of this embodiment, the identification of complex eigenvalues and the identification of complex eigenmodes are performed separately, so that it is easy to apply the method to a physical model of a "large-scale structure existing in the air" or a physical model of "air accompanied by a large-scale structure" with a large number of excitation points and response points. This makes it possible to efficiently predict the dynamic characteristics of a "large-scale structure placed in the air" or "air accompanied by a large-scale structure", which was difficult to do with conventional methods, by simulation.

このように、本実施形態によれば、振動や音響の特性がその価値を左右するような製品、あるいは、構造物と空気との連成がその性能を左右するような製品について、当該製品の試作前に、物理モデルを用いたシミュレーションによって動特性を予測することでき、原因と結果との因果関係が明確化されるので、当該製品の開発効率を大きく向上させることができる。
上記製品として例えばアコースティック楽器が一例として挙げられる。このようなアコースティック楽器の本体(響板、管体など)を製作するにあたり、当該本体の物理モデルの設計を変更し、変更した物理モデルを用いて楽音信号を合成することにより、試作前の楽器の楽音をシミュレーションにより聴くことができる。したがって、例えば新規な楽器を効率良く開発することができる。
As described above, according to this embodiment, for products whose value depends on vibration or acoustic characteristics, or whose performance depends on the coupling between the structure and the air, it is possible to predict the dynamic characteristics by simulation using a physical model before prototyping the product, and the causal relationship between cause and effect is clarified, thereby significantly improving the development efficiency of the product.
An example of such a product is an acoustic musical instrument. When manufacturing the main body (soundboard, tube, etc.) of such an acoustic musical instrument, the design of the physical model of the main body is modified, and the modified physical model is used to synthesize musical tone signals, allowing the musical tones of the musical instrument to be heard by simulation before being prototyped. Therefore, for example, new musical instruments can be developed efficiently.

<変形例>
以上に例示した実施形態は多様に変形され得る。実施形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された2以上の態様を、相互に矛盾しない範囲で併合してもよい。
<Modification>
The above-described exemplary embodiment may be modified in various ways. Specific modified aspects that may be applied to the embodiment are exemplified below. Two or more aspects selected from the following examples may be combined to the extent that they are not mutually contradictory.

楽音信号を合成するコンピューター10の機能は、上述した通り、制御装置11を構成する単数または複数のプロセッサと、記憶装置12に記憶されたプログラムとの協働により実現される。
このプログラムは、コンピューター10が読取可能な記録媒体に格納された形態で提供されてコンピューターにインストールされ得る。記録媒体は、例えば非一過性(non-transitory)の記録媒体であり、CD-ROM等の光学式記録媒体(光ディスク)が好例であるが、半導体記録媒体または磁気記録媒体等の公知の任意の形式の記録媒体も包含される。なお、非一過性の記録媒体とは、一過性の伝搬信号(transitory, propagating signal)を除く任意の記録媒体を含み、揮発性の記録媒体も除外されない。また、配信装置が通信網を介してプログラムを配信する構成では、当該配信装置においてプログラムを記憶する記憶装置12が、前述の非一過性の記録媒体に相当する。
As described above, the function of the computer 10 to synthesize musical tone signals is realized by the cooperation of one or more processors constituting the control device 11 and the programs stored in the storage device 12 .
This program can be provided in a form stored in a recording medium readable by the computer 10 and installed in the computer. The recording medium is, for example, a non-transitory recording medium, and is exemplified by an optical recording medium (optical disk) such as a CD-ROM, but also includes any known type of recording medium such as a semiconductor recording medium or a magnetic recording medium. Note that a non-transitory recording medium includes any recording medium other than a transient, propagating signal, and does not exclude volatile recording media. In a configuration in which a distribution device distributes a program via a communication network, the storage device 12 that stores the program in the distribution device corresponds to the non-transitory recording medium described above.

<付記>
以上の記載から、例えば以下のように本発明の好適な態様が把握される。なお、各態様の理解を容易にするために、以下では、図面の符号を便宜的に括弧書で併記するが、本発明を図示の態様に限定する趣旨ではない。
<Additional Notes>
From the above description, for example, preferred embodiments of the present invention can be understood as follows. In order to facilitate understanding of each embodiment, reference numerals in the drawings are written in parentheses for convenience, but the present invention is not limited to the illustrated embodiments.

本開示のひとつの態様(態様1)に係る楽音合成方法は、コンピューター(10)が、「空気中に存在する場合の構造物」の物理モデル、または、「構造物が付随する場合の空気」の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定するモーダルパラメータ同定方法であって、コンピューター(10)が、空気中に存在する場合の構造物の周波数応答、または、構造物が付随する場合の空気の周波数応答を算出する第1過程と、コンピューター(10)が、周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第2過程と、コンピューター(10)が、周波数応答をリファレンスとして、構造物における加振点の複素固有モード、または、空気における加振点の複素固有モードを同定する第3過程と、を含む。
この態様1によれば、複素固有値の同定と複素固有モードの同定とを同時ではなく、分離して実行するので、加振点および応答点を多数として、空気中に存在する大規模な構造物の物理モデル、あるいは、大規模な構造物が付随する空気の物理モデルへの適用が容易となる。
A musical sound synthesis method according to one aspect (aspect 1) of the present disclosure is a modal parameter identification method in which a computer (10) identifies modal parameters in a physical model of a "structure when present in the air" or a physical model of "the air when the structure is attached," and includes a first step in which the computer (10) calculates a frequency response of the structure when present in the air, or a frequency response of the air when the structure is attached, a second step in which the computer (10) identifies complex eigenvalues using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference, and a third step in which the computer (10) identifies a complex eigenmode of a vibration point in the structure, or a complex eigenmode of a vibration point in the air, using the frequency response as a reference.
According to this aspect 1, the identification of the complex eigenvalues and the identification of the complex eigenmodes are performed separately, rather than simultaneously, so that it becomes easy to apply the present invention to a physical model of a large-scale structure existing in the air with a large number of excitation points and response points, or a physical model of the air accompanied by a large-scale structure.

態様1の具体例(態様2)において、第3過程の後に、コンピューター(10)が、周波数応答をリファレンスとして、構造物における加振点とは異なる応答点の複素固有モード、または、空気における加振点とは異なる応答点の複素固有モードを同定する第4過程を、含む。
この態様2によれば、加振点を除いた応答点の数を多くして、より大規模な物理モデルへの適用が可能になる。
In a specific example (Aspect 2) of Aspect 1, after the third step, a fourth step is included in which the computer (10) identifies, using the frequency response as a reference, a complex eigenmode of a response point in the structure other than the excitation point, or a complex eigenmode of a response point in the air other than the excitation point.
According to this aspect 2, the number of response points excluding the excitation points can be increased, making it possible to apply the method to a larger-scale physical model.

また、態様1に係るモーダルパラメータの同定方法は、態様3に係るプログラムとして把握することが可能である。すなわち、態様34に係るプログラムは、コンピュータ(10)に、「空気中に存在する場合の構造物」の物理モデル、または、「構造物が付随する場合の空気」の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定させるプログラムであって、コンピュータ(10)に、「空気中に存在する場合の構造物」の周波数応答、または、「構造物が付随する場合の空気」の周波数応答を算出する算出部(112)、周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第1同定部(115)、および、周波数応答をリファレンスとして、構造物における加振点の複素固有モード、または、空気における加振点の複素固有モードを同定する第2同定部(116)、として機能させる。 The method for identifying modal parameters according to aspect 1 can be understood as a program according to aspect 3. That is, the program according to aspect 34 is a program that causes a computer (10) to identify modal parameters in a physical model of a "structure in the air" or a physical model of the "air with an associated structure", and causes the computer (10) to function as a calculation unit (112) that calculates the frequency response of the "structure in the air" or the frequency response of the "air with an associated structure", a first identification unit (115) that identifies a complex eigenvalue using the inverse Fourier transform of the frequency response as a reference, and a second identification unit (116) that identifies a complex eigenmode of a vibration point in the structure or a complex eigenmode of a vibration point in the air using the frequency response as a reference.

また、態様1に係るモーダルパラメータの同定方法は、態様4に係るモーダルパラメータの同定装置として把握することが可能である。すなわち、態様4に係るモーダルパラメータの同定装置は、「空気中に存在する場合の構造物」の物理モデル、または、「構造物が付随する場合の空気」の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定するモーダルパラメータ同定装置であって、「空気中に存在する場合の構造物」の周波数応答、または、「構造物が付随する場合の空気」の周波数応答を算出する算出部(112)と、周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第1同定部(115)と、周波数応答をリファレンスとして、構造物における加振点の複素固有モード、または、空気における加振点の複素固有モードを同定する第2同定部(116)と、を含む。 The method for identifying modal parameters according to aspect 1 can be understood as an apparatus for identifying modal parameters according to aspect 4. That is, the apparatus for identifying modal parameters according to aspect 4 is an apparatus for identifying modal parameters in a physical model of a "structure in the air" or a physical model of the "air with an associated structure", and includes a calculation unit (112) for calculating a frequency response of the "structure in the air" or a frequency response of the "air with an associated structure", a first identification unit (115) for identifying a complex eigenvalue using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference, and a second identification unit (116) for identifying a complex eigenmode of a vibration point in the structure or a complex eigenmode of a vibration point in the air using the frequency response as a reference.

10…コンピューター、11…制御装置、12…記憶装置、13…演奏情報出力装置、14…放音装置、110…処理制御部、111…前処理部、112…算出部、115…第1同定部、116…第2同定部、117…第3同定部、Lc…線形連成系。 10...computer, 11...control device, 12...storage device, 13...performance information output device, 14...sound emission device, 110...processing control unit, 111...preprocessing unit, 112...calculation unit, 115...first identification unit, 116...second identification unit, 117...third identification unit, Lc...linear coupled system.

Claims (4)

コンピューターが、空気中に存在する場合の構造物の物理モデル、または、構造物が付随する場合の空気の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定するモーダルパラメータ同定方法であって、
前記コンピューターが、前記空気中に存在する場合の前記構造物の周波数応答、または、前記構造物が付随する場合の前記空気の周波数応答を算出する第1過程と、
前記コンピューターが、前記周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第2過程と、
前記コンピューターが、前記周波数応答をリファレンスとして、前記構造物における加振点の複素固有モード、または、前記空気における加振点の複素固有モードを同定する第3過程と、
を含む物理モデルにおけるモーダルパラメータの同定方法。
1. A method for identifying modal parameters in a physical model of a structure when in air, or in a physical model of air when the structure is associated with the structure, comprising:
a first step in which the computer calculates a frequency response of the structure when present in the air or a frequency response of the air when associated with the structure;
a second step in which the computer identifies complex eigenvalues using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference;
a third step in which the computer identifies a complex eigenmode of an excitation point in the structure or a complex eigenmode of an excitation point in the air using the frequency response as a reference;
A method for identifying modal parameters in a physical model including:
前記第3過程の後に、
前記コンピューターが、前記周波数応答をリファレンスとして、前記構造物における前記加振点とは異なる応答点の複素固有モード、または、前記空気における前記加振点とは異なる応答点の複素固有モードを同定する第4過程を、
を含む請求項1に記載の物理モデルにおけるモーダルパラメータの同定方法。
After the third step,
a fourth step in which the computer identifies a complex eigenmode of a response point in the structure different from the excitation point, or a complex eigenmode of a response point in the air different from the excitation point, using the frequency response as a reference;
2. A method for identifying modal parameters in a physical model according to claim 1, comprising:
コンピューターに、空気中に存在する場合の構造物の物理モデル、または、構造物が付随する場合の空気の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定させるプログラムであって、
前記コンピューターに、
前記空気中に存在する場合の前記構造物の周波数応答、または、前記構造物が付随する場合の前記空気の周波数応答を算出する算出部と、
前記周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第1同定部、および、
前記周波数応答をリファレンスとして、前記構造物における加振点の複素固有モード、または、前記空気における加振点の複素固有モードを同定する第2同定部、
として機能させるプログラム。
A program for causing a computer to identify modal parameters of a physical model of a structure in air or a physical model of air in the presence of a structure, the program comprising:
The computer includes:
A calculation unit that calculates a frequency response of the structure when present in the air, or a frequency response of the air when the structure is present;
a first identification unit that identifies a complex eigenvalue using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference; and
a second identification unit that identifies a complex eigenmode of an excitation point in the structure or a complex eigenmode of an excitation point in the air using the frequency response as a reference;
A program that functions as a
空気中に存在する場合の構造物の物理モデル、または、構造物が付随する場合の空気の物理モデルにおけるモーダルパラメータを同定するモーダルパラメータ同定装置であって、
前記空気中に存在する場合の前記構造物の周波数応答、または、前記構造物が付随する場合の前記空気の周波数応答を算出する算出部と、
前記周波数応答の逆フーリエ変換をリファレンスとして複素固有値を同定する第1同定部と、
前記周波数応答をリファレンスとして、前記構造物における加振点の複素固有モード、または、前記空気における加振点の複素固有モードを同定する第2同定部と、
を含むモーダルパラメータの同定装置。
A modal parameter identification device that identifies modal parameters in a physical model of a structure when it exists in air, or in a physical model of air when a structure is associated with the structure, comprising:
A calculation unit that calculates a frequency response of the structure when present in the air, or a frequency response of the air when the structure is present;
a first identification unit that identifies a complex eigenvalue using an inverse Fourier transform of the frequency response as a reference;
a second identification unit that identifies a complex eigenmode of an excitation point in the structure or a complex eigenmode of an excitation point in the air using the frequency response as a reference;
A modal parameter identifier including:
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