騒音、振動、ハーシュネスとは

騒音、振動、ハーシュネス（NVH: Noise, Vibration, and Harshness）とは、人がさまざまな機械、特に自動車を操作する際に体験する音や振動、およびそれらをどのように知覚するかについての研究や制御方法を指します。NVHが重視されるのは、それがユーザーエクスペリエンスと機械の耐久性に影響を及ぼすためです。

NVHは、工学と心理学を組み合わせた分野です。エンジニアは、騒音や振動の予測、測定、制御に取り組みます。心理学者は、人が騒音や振動をどのように知覚するかを測定して理解するために、心理音響学を研究しています。 

NVHをより深く理解するために、ここでは自動車を例に用いて、各用語がどのように当てはまるのかを説明します。

騒音: 聞こえるもの

騒音とは不要な音のことで、車両の内外で発生します。騒音は、車の周囲を通過する風、路面を転がるタイヤ、ブレーキの鳴き、わずかに開いたエアコン通気口から漏れる空気の笛吹音、あるいはモータから発生する音です。純音性騒音とは、単一の周波数または複数の単一周波数を特徴とする騒音の一種で、「ヒュー」という高いうなり、低いうなり、笛吹音、羽音などがあります。

振動: 振動源の挙動と、人が触覚を通じてそれをどのように感じ取るか

振動とは、あらゆる物体に生じる物理的な揺れです。振動は耐久性に影響を及ぼすこともあれば、人が触覚で感じ取ることもあります。たとえば、小刻みに震えるステアリングホイール、アイドリング時にブルブルと動くモータ、ガタつき音がするグローブボックスの蓋などです。

ハーシュネス: 知覚するもの

ハーシュネスとは、音の品質に対する主観的な評価尺度を指します。エンジン音が力強く感じられる要因、ドアのきっちりと閉まる音が安心感を与える要因、あるいは車室内が静かで快適に感じられるかどうかなどに着目します。 

NVHは、人と機械のあらゆるインタラクションに当てはまりますが、その開発と応用を主導しているのは自動車業界です。当時は「NVH」と呼ばれていなかったでしょうが、道路が整備される以前から、初期の戦車や馬車では部品のガタつきや乗り心地の悪さといった問題に直面していました。やがて、簡素な木製のバネが取り付けられ、部品が固定され、構成部品を厚くするなど、馬車での移動の負担を軽減する工夫が施されました。

NVHが本格的に発展したのは、騒々しいエンジンが搭載され、NVHが自動車工学の一分野として位置付けられたときです。こうして、移動の快適さを向上させる技術は1つの科学となりました。  主要な自動車OEMはいずれも、NVHに特化したエンジニアチームを複数擁しています。車内の音と振動はユーザーエクスペリエンスの一部であり、ひいてはブランドの印象を左右するためです。NVHに関する研究、技術的進歩、シミュレーションツール、テストプロセスの大半は、より静かで快適な乗り心地を実現しようとする自動車業界の探求から生み出されています。

一方、他の分野でも、システムと関わる際に人が音や振動をどのように知覚するかを重視しています。

自動車以外の分野におけるNVHの代表的な用途には、次のようなものがあります。

• 食器洗い機や洗濯機などの家電製品
• リーフブロワーや芝刈り機などの電動園芸工具
• 航空機（特に客室やコックピット内）、および交通に起因する空港周辺の騒音低減
• 電動工具や製造装置
• 風力タービン

NVHエンジニアリングとは、業界を問わず、騒音や振動の発生源、伝達経路、さらに人がその両方をどのように知覚するかを理解して、規制、ビジネス、美観、安全性、耐久性の目標を満たすようにそれらを管理していくことです。各チームはさまざまなツールやプロセスを活用してNVH解析を実行し、必要に応じて設計を変更できるよう製品開発チーム全体を支援します。その結果、より優れた製品とユーザーエクスペリエンスが実現します。 

騒音と振動はいずれも、車両内の機械部品の衝撃、ランダムまたは周期的な動き、あるいは部品の周囲や内部を通る流体（通常は空気）の動きから生じます。振動や音を発生させる機械的な動きを「騒音源」と呼びます。騒音や振動のエネルギーが乗員に到達する経路を「伝達経路」と呼びます。エンジニアは、この両方を調べた上で設計を変更し、ハーシュネス（人が知覚する車両の騒音と振動）の低減を目指します。

車両でNVHの問題を引き起こす最も一般的な発生源は、次のとおりです。

• パワートレイン
  • エンジンの燃焼: 内燃機関（ICE: Internal Combustion Engine）における騒音と振動の主な発生源は、シリンダー内での燃焼です。
  • 機構の動きと接触: ICE内のクランクシャフト、カム、バルブ、ピストンはいずれも、互いに滑り、接触しながら振動を発生させます。
  • 電動モータ: 電気自動車（EV）の電動モータにおける周期的な高周波電磁負荷は、ICEを搭載した車両とは大きく異なる騒音と振動を生み出します。
  • ドライブシャフト: ベアリング、マウント、カップリングなどの機械部品は、騒音や振動を発生させ、特定の臨界周波数で強く共振することがあります。
  • トランスミッション: オートマチックまたはマニュアルのどちらのトランスミッションも、ギアのかみ合いによって騒音が発生することがあります。
• 路面とタイヤの相互作用
  • タイヤのトレッド: 各タイヤに固有のトレッドパターンが特定の速度で共振し、雑音を生じさせることがあります。
  • 路面のテクスチャ: 砂利、コンクリート、アスファルトといった路面の局所的なテクスチャは、タイヤの振動を引き起こし、騒音や振動を発生させることがあります。
  • 路面の段差や亀裂: 路面のひび割れ、段差、伸縮目地、溝、穴（ポットホール）はタイヤに衝撃を与え、乗り心地の悪さの大きな原因となります。
• 空力荷重
  • 外部の乱流: 乱流の渦は、騒音の大きな発生源となります。「風切り音」と呼ばれることが多く、継ぎ目、ミラー、フロントガラスのワイパー、ピラーなど、車両上のあらゆる突起が乱流を生じさせ、騒音の原因となります。
  • 漏れ: 窓やドアの継ぎ目周りの小さな隙間を空気が勢いよく通り抜けると、高周波の笛吹音が生じることがあります。
  • 空洞共振: 窓を開けると、車室内で音響共振が生じ、脈動音が発生することがあります。
  • 排気システム: ICE搭載車では、エンジンからの排気ガスが排気システムを通過し、それによって生じた圧力波が共振することで、振動と騒音が発生します。
• 補助サブシステム
  • ブレーキ鳴き: ブレーキパッドがローターやドラムにこすれると共振が生じ、はっきりとした大きな鳴き音が発生することがあります。
  • HVACシステム: 冷暖房システムには、送風機の騒音、ダクト内の笛吹音、通気口の乱流など、いくつかの騒音源があります。空力音やロードノイズが低減された最新の自動車、特にEVにおいては、HVACシステムが主要な騒音源となります。
  • ターボチャージャー: ターボチャージャーのタービンとコンプレッサーはいずれも、特定の速度で大きな高周波騒音を発生させます。
  • 冷却ファン: エンジンやバッテリを冷却するためのベルトやファンは、車両の停止時やモータのオフ時も作動し続けています。
  • ラッチ: 車両のドア、シートベルト、収納コンパートメントを固定する機構は、開閉時にいずれも騒音と振動を発生させます。
  • アクチュエータ: 最新の車両には数十個の電動アクチュエータが搭載されており、窓、シート、ドアロック、パーキングブレーキ、フロントガラスのワイパーなどの部品を動かす際に、バズ音や高いうなり音を発します。
  • バズ音、軋み音、ラトル音（BSR: Buzz, Squeak, and Rattle）: 車体パネル、スピーカーグリル、トリムクリップ、熱シールドなどの車両部品が緩んでいると、高周波数で共振したり（バズ音）、他の部品にこすれたり（軋み音）、他の物体に衝突したり（ラトル音）することがあります。

NVH解析における伝達経路

エンジニアは、発生源を特定すると、次に騒音と振動が発生源から乗員へどのように伝播するかを定量化します。通常、騒音は空気を媒体として伝わりますが、これを「空気伝搬」と呼びます。それに対して、振動エネルギーは固体の部品を通じて伝達され、これを「固体伝搬」と呼びます。この区別が重要なのは、経路によって乗員が騒音や振動をどう知覚するかが変わり、またエンジニアがハーシュネスを制御するために使用できる手法が決まるためです。 

自動車エンジニアは、さまざまなセンサーを使用して、プロトタイプ車両や量産車両の振動と音を測定します。その後で、解析ソフトウェアを使用して、テストデータを有用な情報に変換します。

NVHの測定に最もよく使用されるセンサーは、次のとおりです。

• 加速度計: 時間の経過に伴う3次元の動きを同時に測定し、車両上の特定の点における加速度を示す計測器です。
• 力変換器: 「ロードセル」とも呼ばれる計測器で、部品と部品の間に設置し、両者間にかかる経時的な荷重を測定します。
• トルク変換器: シャフトのひずみを測定し、それを経時的な回転荷重へ変換するセンサーです。
• ひずみゲージ: 物体表面の経時的な変形を測定する計測器です。
• マイク: 空気圧の経時的な変化（すなわち音）を測定するセンサーです。
• レーザー振動計: 振動している表面から反射したレーザー光のドップラー偏移を測定し、レーザー光と平行な方向における表面の経時的な変位を求めるための光学システムです。 

自動車エンジニアが車両の騒音と振動を最適化してハーシュネスを最小化するには、いくつかのアプローチがあります。自動車メーカーでは、設計変更のコストが最小限で済む、設計プロセスのできるだけ早い段階で、これらの対策を講じようとします。

エンジニアは、信号の除去、信号エネルギーの低減、あるいはハーシュネスの軽減を目指します。信号の各周波数の振動と振幅によって、特定の振動や騒音が決まります。各周波数の振幅を解析したものがスペクトルです。特定の周波数で複数の成分が重なると、人間の耳に聞こえる音が生成されます。これらの基本振動の振幅は、音の大きさ（音量）を表します。音量の知覚を表す用語は「ラウドネス」と呼ばれ、ラウドネス心理音響指標を用いて推定できます。 

振幅を低減する、または周波数を変化させる最も一般的な4つのアプローチは、発生源の改善、エネルギーの吸収、絶縁、能動的な抑制です。

発生源の改善

NVHの課題に取り組む際にまず着手すべきは、騒音や振動を発生源で停止、低減、または改善することです。信号が共振によって生じている場合、エンジニアは剛性やジオメトリを変更して、固有振動数を励振周波数から遠ざけるか、励振時のエネルギーを最小化します。ラトル音（ガタつき音）は、部品をより強固に取り付けることで低減または除去できます。発生源で純音性騒音を低減するために、エンジニアはピッチシーケンシングを用いて周波数範囲を広げたり、回転速度（RPM）を変えて周波数をより快適な範囲へシフトさせます。

エネルギーの吸収

信号が発生源を離れた後、エンジニアはさまざまな手法を用いて、通常は減衰や吸収により、そのエネルギーを熱に変換します。その好例が、ハウジングや衝撃吸収材、または天井パネルでの吸音フォームの採用です。外部からの騒音を吸収し、車室内での騒音の反射を低減できます。また、機械的な連結部では、振動を吸収するためにエネルギー吸収材が使用されます。 

絶縁

信号のエネルギーを吸収する代わりに、自動車エンジニアが用いるもう1つのアプローチは、信号の伝達を遮断することです。設計者は、ブッシング、ゴム、液封マウント、伸縮継手を用いて、振動が車両内で伝わるのを遮断します。

能動的な抑制

エンジニアが利用できるより高度な対策として、特定の周波数で増幅させたサウンドを用いる方法があります。これは「アクティブノイズキャンセリング」（ANC: Active Noise Cancellation）と呼ばれ、相殺的干渉によって信号の振幅を低減させます。相殺的干渉では、低減させたい信号と位相が180度ずれた人工的な信号を使用します。もう1つの能動的な抑制手法は、不快な雑音をマスキングする心地よいサウンドを加えることです。 

製品開発において、設計の初期段階で変更を加えるほうが、通常コストを抑えられることは広く知られています。しかし、エンジニアはテスト用のプロトタイプまたは量産車両が用意できるまで、NVHを測定できません。ここで役立つのがシミュレーションです。物理的なコンポーネントを製作するはるか前の段階で、設計チームに情報を提供できるようになります。多くのケースで、複数のタイプのシミュレーションを組み合わせることで、NVHパフォーマンスを理解して改善できるようになります。

エンジニアは、まず構造ダイナミクスを用いて、NVHの発生源と伝達経路の固有振動応答と強制振動応答を求めます。Ansys Mechanicalなどの包括的で効率的なパッケージを使用すると、固有振動数応答、強制振動、ランダム振動、そして車両のユニボディ構造のような大規模アセンブリを対象としたモード合成法（CMS: Component Mode Synthesis）を含む幅広い構造ダイナミクスシミュレーションを実行できます。

電動ドライブトレインの場合、CAE専任者はAnsys Maxwellなどの汎用ツールを使用して、電磁力による振動と騒音の特性を評価します。特に電動モータやアクチュエータについては、Ansys Motor-CADのような特化型シミュレーションツールを使用することで、騒音源をより迅速にモデル化して、NVH対策を評価できます。Motor-CADは、NVH専用のポストプロセスツールがシミュレーションプロセスを高速化し、より有意義な情報をエンジニアに提供できることを示すよい例でもあります。

また、Ansys Motionなどのツールを用いたマルチボディダイナミクス（MBD: Multi-body Dynamics）構造解析により、信号伝達とBSRを評価できます。このタイプのシミュレーションでは構造が簡略化され、さまざまなコンポーネントがどのように接続され、動的にどう動くかに着目します。NVH用のMBDシミュレーションでは、通常は車両のサスペンションやドライブトレインに着目します。 

最後に、Ansys Fluentなどの数値流体力学（CFD）ツールを使用して、空力騒音を予測および制御します。空力音響解析では、流体力学と音響学を組み合わせて、風切り音を予測および制御します。空力騒音を予測する上で重要な要素の1つは、乱流を正確にモデル化し、流れが層流から乱流へと遷移するタイミングと場所を予測することです。 

エンジニアが騒音や振動の発生源と伝達を理解すると、次にAnsys Soundなどのツールを使用して、仮想プロトタイピングの結果を聴くことができます。ジュリー聴感試験に基づいて乗員がサウンドをどのように知覚するかを評価したり、ラウドネス、調性、シャープネス（鋭さ）といった心理音響指標計算によって不快感の知覚を推定したりできます。これらの基準の多くは、ANSI、DIN、ECMAなどの規格に準拠しています。次のステップでは、シミュレーションツールセットを使用して材料、ジオメトリ、コンポーネント、接続を変化させながら、設計を反復的に修正して、ラウドネスとハーシュネスを低減します。 

こうしたタイプのツールに加えて、開発チームは多数の入力と出力を互いに比較検討しなければならない複雑な状況に対処するため、Ansys optiSLangなどの最適化プラットフォームを導入します。 

NVH管理における最も大きな変化は、電気自動車の普及と、電動モータで発生する高周波振動への理解と対処です。現在では、内燃機関の騒音が他の音をマスキングしなくなりました。この変化を踏まえ、多くの開発チームは、そうした騒音を特定して最小限に抑える対策に取り組んでいます。

電気自動車がもたらす変化への対応に加えて、NVHエンジニアリングにおける3つの大きな動向は、吸音、アクティブノイズキャンセリング、アクティブなサウンド設計（ASD）に関するイノベーションです。各社は、音や振動を減衰または吸収する構造を生み出すために、新しい材料や3Dプリンティングなどの新たな製造方法を研究しています。また、研究者たちは雑音をより正確に測定して低減するために、車載エッジコンピューティングの改善、センサー技術の向上、より効率的なサウンドジェネレーターにも注目しています。受動的または能動的な手段によって騒音が低減されれば、新たなサウンドを生み出す余地が生まれます。たとえば、ASDを用いると、電動パワートレインの高トルクに対する聴覚的フィードバックを提供する未来的なサウンドを開発したり、先進運転支援システム（ADAS）の警報で採用される繊細な3Dサウンドを生成したりできます。また、EVで義務付けられているアクティブなサウンドの1つに、低速走行時にサウンドを車外に発する車両接近通報装置があります。

最も有望な研究分野は、研究開発チームによる人工知能（AI）の活用です。ハーシュネスを理解し、定量化することで、それを主観的な解釈から客観的で測定可能な量に変化させることができます。 

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