多通道數(shù)字模擬混合音響仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：采用數(shù)字與模擬混合控制技術(shù)，利用多種聲源的組合，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)音響及環(huán)境音響的仿真。

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飛行模擬器在整個(gè)飛行過(guò)程中不僅給飛行員提供逼真的視覺(jué)、力感和動(dòng)感而且還要有逼真的音響效果使飛行員感到身臨其境，幫助飛行員從聽(tīng)覺(jué)上能正確判斷出飛機(jī)的飛行狀態(tài)。音響效果的仿真主要有模擬式和數(shù)字式兩種，模擬式仿真音響適合于實(shí)時(shí)控制，數(shù)字式仿真音響逼真度高。本文依據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的頻譜特性，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)單、雙轉(zhuǎn)子噪聲、噴氣噪聲的模擬電路；依據(jù)環(huán)境音響的特性，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)各種環(huán)境音響的多通道數(shù)字音響效果播放卡。該音響仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于螺旋漿式發(fā)動(dòng)機(jī)聲及單、雙轉(zhuǎn)子的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)聲的仿真，能仿真出各種機(jī)內(nèi)操縱效果音響及機(jī)外摩擦、雷電等多種效果音響，還可開(kāi)發(fā)用于艦船及陸地機(jī)動(dòng)設(shè)備的音響效果仿真。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)音響的頻譜分析

為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真音響進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，首先要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的音響頻譜進(jìn)行分析。如經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地錄音、采集，殲六飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜如圖１所示。

通過(guò)頻譜分析儀對(duì)殲六飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜進(jìn)行分析，它是由三種聲音組成，即渦輪聲、噴氣聲和進(jìn)氣聲。渦輪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中壓縮空氣時(shí)發(fā)出的尖叫聲，是由兩個(gè)單一頻率的波形組成的。頻率變化從０～４６Ｈｚ，它的頻率和振幅都是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)從０～５５００ｒ／ｍｉｎ，渦輪聲的幅值是不斷提高的；從５５００ｒ／ｍｉｎ到額定轉(zhuǎn)速，幅值又是不斷下降，到８５００ｒ／ｍｉｎ以后，人耳基本上感覺(jué)不到渦輪聲了。噴氣聲的頻率基本上在２００～５００Ｈｚ之間，它的頻率和振幅也是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，人耳的感覺(jué)是轟鳴聲。進(jìn)氣聲可忽略。

2 硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜特點(diǎn)及聲音與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計(jì)了硬件電路。該系統(tǒng)由音響控制計(jì)算機(jī)、多功能音響效果生成和播放卡、多通道功率放大器和多通道揚(yáng)聲器等部分組成，其核心部分是自行研制的多功能音響效果生成和播放卡，它由音響效果生成和多通道數(shù)字音響效果播放兩部分組成。圖２給出了教練八飛機(jī)仿真音響效果生成和播放卡結(jié)構(gòu)示意圖。

2.1 音響效果生成電路

利用壓控振蕩器４０４６的振蕩頻率與數(shù)控電壓成線性比例關(guān)系的特性設(shè)計(jì)了生成渦輪聲的高低壓轉(zhuǎn)子電路。通過(guò)輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)，可產(chǎn)生不同頻率的渦輪聲信號(hào)（見(jiàn)圖３）。通過(guò)設(shè)置初始頻率及通過(guò)高低壓轉(zhuǎn)子幅值控制電路實(shí)時(shí)改變幅值，即可產(chǎn)生相應(yīng)的高低壓轉(zhuǎn)子信號(hào)。

利用晶體二極管 ＰＮ結(jié)的白噪聲（熱噪聲、散彈噪聲）生成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣噪聲。經(jīng)過(guò)選擇與實(shí)驗(yàn)，噴氣噪聲生成電路如圖４，依據(jù)輸入的油門(mén)位置和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的大小生成不同頻率的白噪聲，通過(guò)噴氣噪聲幅值控制電路實(shí)時(shí)控制幅值而生成的噴氣噪聲經(jīng)過(guò)檢測(cè)，生成的噪聲波形與實(shí)際的噴氣噪聲波形非常相似。

2.2 多通道數(shù)字音響效果的播放

可將存于計(jì)算機(jī)中的數(shù)字音響信號(hào)還原成相應(yīng)的模擬音響信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)多種聲音的切換、疊加后輸出音響信號(hào)而進(jìn)行播放（如圖５所示）。該數(shù)字通道可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)聲、發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)聲及環(huán)境效果聲（收放起落架聲、收放襟翼聲、收放減速板聲和著陸摩擦聲）進(jìn)行仿真，這些聲音的原始音源是通過(guò)實(shí)地錄音采集或影音剪輯獲得。

2.3 數(shù)字音響和模擬音響的擬合與切換

為了避免與計(jì)算機(jī)已有的硬件產(chǎn)生沖突，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的跳線結(jié)構(gòu)，隨時(shí)可通過(guò)跳線來(lái)改變其相應(yīng)的地址。以下是實(shí)際選擇的一組地址。

３９０Ｈ 高壓轉(zhuǎn)子渦輪聲頻率

３９１Ｈ 高壓轉(zhuǎn)子渦輪聲幅值

３９２Ｈ 低壓轉(zhuǎn)子渦輪聲頻率

３９３Ｈ 低壓轉(zhuǎn)子渦輪聲幅值

３９４Ｈ 噴氣噪聲頻率

３９５Ｈ 噴氣噪聲幅值

３９６Ｈ － ３９ＢＨ 多路數(shù)字音源的直接通道

為了逼真地產(chǎn)生飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的音響聲，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停車(chē)狀態(tài)，采用純數(shù)字音響；在發(fā)動(dòng)機(jī)的其它工作狀態(tài)，采用模擬音響來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)按照油門(mén)位置、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率產(chǎn)生逼真的實(shí)時(shí)音響。數(shù)字音響與模擬音響之間需要飛行主程序進(jìn)行切換。

3 軟件設(shè)計(jì)

音響仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下。

渦輪聲：Ｂ＝ｃ

Ｆ＝ａ＋ｋ（Ｎ－ｎ）

噴氣噪聲：Ｂ＝ａ＋ｋ（Ｙｍ－０．２１）

Ｆ＝ａ＋ｋ（Ｙｍ－０．２１）

其中Ｂ為幅值、Ｆ為頻率、Ｎ為轉(zhuǎn)速、Ｙｍ為油門(mén)位置、ａ為基準(zhǔn)值、ｃ為設(shè)定值、ｋ為比例因子、０．２１為油門(mén)基準(zhǔn)值。

下面給出教練八飛機(jī)音響仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

高壓轉(zhuǎn)子渦輪聲

Ｂ＝ｃ

Ｆ＝１５２．００＋０．０１２４３５１（Ｎ１－９０６０．０）

低壓轉(zhuǎn)子渦輪聲

Ｂ＝ｃ

Ｆ＝１１６．００＋０．０１２９００５（Ｎ２－６５００．０）

噴氣噪聲：

Ｂ＝１５６．０＋１２０．８（Ｙｍ－０．２１）

Ｆ＝１８．０＋１２．８（Ｙｍ－０．２１）

其中Ｎ１為高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、Ｎ２為低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

音響仿真系統(tǒng)的軟件程序用 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 編寫(xiě)，程序框圖如圖６所示，由Ｄｒｉｅｃｔ ｘ Ｓｏｕｎｄ 插播環(huán)境效果音響。如飛機(jī)左單輪接地時(shí)的音響效果仿真，背景為發(fā)動(dòng)機(jī)聲（噴氣聲和渦輪聲），由音響系統(tǒng)主聲道播出。由于飛行員在著陸時(shí)帶左坡度，使飛機(jī)左機(jī)輪先接地，因而音響系統(tǒng)的左聲道實(shí)時(shí)播出機(jī)輪接地的摩擦聲。此時(shí)飛行員除通過(guò)視景系統(tǒng)目測(cè)外，還可用聽(tīng)覺(jué)來(lái)判斷出飛機(jī)是左單輪先接地。