基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)的航空噪聲數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)開發(fā)

張青 蔣思毅 閆國華 楊曉軍

基金項(xiàng)目：天津市航空裝備安全性與適航技術(shù)創(chuàng)新中心開放基金資助（145300110304（6））

第一作者簡介：張青（1986-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)槊裼煤娇掌髟肼暱刂?、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)隊(duì)管理及計(jì)算機(jī)仿真。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.002

摘? 要：該文是基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)提出的各種機(jī)型在靜態(tài)和起飛狀態(tài)的噪聲數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)。即在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)各種機(jī)型的靜態(tài)試車和起飛程序，同時(shí)使用實(shí)際機(jī)型的噪聲記錄作為噪聲源，并使用頭戴顯示器以雙聲通道實(shí)現(xiàn)可聽化，呈現(xiàn)出噪聲數(shù)據(jù)的可聽化和在虛擬環(huán)境中的可視化。系統(tǒng)將使用經(jīng)驗(yàn)公式處理數(shù)據(jù)，合成起飛狀態(tài)的噪聲，協(xié)助噪聲適航審定程序進(jìn)程更有效的進(jìn)行，有利于相關(guān)部門根據(jù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，制定出航空噪聲的適航規(guī)章和控制標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)；噪聲數(shù)據(jù)；雙耳通道；可聽化；可視化

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0009-04

Abstract： Based on the extended reality（XR） technology， this paper presents a noise data simulation system for all kinds of aircraft in static and take-off state. That is， the static test and take-off procedures of various models are realized in the virtual scene， while the noise record of the actual model is used as the noise source， and the head-mounted display is used to realize the audialization of the dual sound channel， which presents the audialization of noise data and visualization in the virtual environment. The system will use the empirical formula to process the data， synthesize the noise in the take-off state， and assist the noise airworthiness approval process to proceed more effectively， which is beneficial to the relevant departments according to the requirements of environmental protection， formulate airworthiness regulations and control standards for aviation noise.

Keywords： extended reality （XR）; noise data; binaural channel; audialization; visualization

對(duì)于乘坐飛機(jī)的乘客或者是機(jī)場附近的居民來說，噪聲一直以來都是困擾其生產(chǎn)、生活的一大難題。乘客在機(jī)艙內(nèi)感受到的噪聲是多種多樣、組分復(fù)雜的[1]。為了對(duì)航空噪聲進(jìn)行嚴(yán)格的管理和監(jiān)督，在航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、使用過程，相關(guān)部門需要根據(jù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，制定出航空噪聲的適航規(guī)章和控制標(biāo)準(zhǔn)[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)價(jià)格十分昂貴，雖然可以通過耳機(jī)播放噪聲給聽者，但是這將受限于錄制的方向。并且觀測者通常希望如同在真實(shí)環(huán)境中一樣從視覺和聽覺上定位聲源。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的快速發(fā)展，以及5G通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速度快、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)XR技術(shù)受到前所未有的關(guān)注。可聽化包括預(yù)測虛擬空間及虛擬空間中聽者的響應(yīng)，即在完成聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測的虛擬環(huán)境展示聲“播放”的過程，允許對(duì)虛擬空間進(jìn)行聽者主觀評(píng)估與三維的聲音感知[3]。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲雙耳可聽化模擬

針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲適航性試驗(yàn)，傳統(tǒng)試驗(yàn)方式是分別在靜態(tài)試驗(yàn)場地、飛行試驗(yàn)場地使用發(fā)動(dòng)機(jī)或者等比例縮放模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲實(shí)驗(yàn)，不僅耗費(fèi)大量資金、制作發(fā)動(dòng)機(jī)模型的周期較長，而且制作精度無法還原真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)特性，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇進(jìn)出口、壓氣機(jī)、燃燒室、噴流的噪聲測量值與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲值有著較大偏差，后期改進(jìn)尺寸設(shè)計(jì)也存在著較大的困難[4]。由于三維環(huán)境模擬技術(shù)允許測試者在視覺和聽覺上都沉浸在虛擬環(huán)境中，借助頭部跟蹤（實(shí)時(shí)測量聽者頭部的方位），可進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形渲染和雙耳模擬，與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲數(shù)據(jù)的結(jié)合可使得噪聲適航審定過程更高效、便利，如圖1所示。噪聲數(shù)據(jù)通過虛擬孿生發(fā)動(dòng)機(jī)模型可實(shí)時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)，在此基礎(chǔ)上分析發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲值可能帶來的影響，進(jìn)而預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)未來的發(fā)展趨勢(shì)，支撐對(duì)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行決策，可在一定程度上解決試驗(yàn)成本問題，協(xié)助新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，縮短研發(fā)時(shí)間。

首先，由于在進(jìn)行航空噪聲的實(shí)際測量過程中會(huì)遇到許多困難和條件限制，人力和物力的投入都相當(dāng)大，實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同部件相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行噪聲預(yù)估。民用航空多采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)動(dòng)力，其主要組成部件風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴都有相應(yīng)的噪聲預(yù)測模塊供計(jì)算使用[5]。

其次，在噪聲適航合格審定過程中，實(shí)驗(yàn)人員可根據(jù)CCAR-36部噪聲適航規(guī)章中的要求，結(jié)合不同機(jī)型的噪聲適航相關(guān)資料和限制條件，分別進(jìn)行地面靜態(tài)噪聲、空中飛行噪聲試驗(yàn)?，F(xiàn)以靜態(tài)測試噪聲為例，根據(jù)具體的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、設(shè)計(jì)特性和噪聲預(yù)測算法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各部件在半圓域內(nèi)（20～160°）不同轉(zhuǎn)速、角度的聲級(jí)，將預(yù)測得到的噪聲頻域數(shù)據(jù)利用快速傅里葉逆變換成進(jìn)行噪聲可聽化。

最后，在搭建的虛擬試驗(yàn)場景中，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噪聲測試場景并通過穿戴設(shè)備（HTC Vive、Meta Quest Pro）進(jìn)行交互，不僅可以近距離地在發(fā)動(dòng)機(jī)旁進(jìn)行測試，還不會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)吸入?yún)^(qū)和噴流區(qū)的影響。再在計(jì)算出的飛行航跡上映射出起飛噪聲源，模擬起飛過程中噪聲的傳播路徑，開發(fā)噪聲修正算法，將模擬起飛噪聲修正為真實(shí)條件下的數(shù)據(jù)[6]。

2? 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可聽、可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法

2.1? 開發(fā)平臺(tái)介紹

Unity3D可以實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化的定制和實(shí)時(shí)渲染，包括光照、著色、陰影等。此平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)各種功能，如3D 模型導(dǎo)入、動(dòng)畫渲染、物理碰撞、攝像機(jī)設(shè)置和音頻播放等，可聯(lián)接演化出角色運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)、AI 人工智能、大量粒子系統(tǒng)處理等技術(shù)，從而支持各種多樣化動(dòng)效和特效化場景等用戶自定義的標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噪聲預(yù)測方面，將Unity 3D平臺(tái)和HTC Vive相結(jié)合，通過搭建發(fā)動(dòng)機(jī)和傳聲器陣列的虛擬仿真系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸模型的相關(guān)設(shè)計(jì)特征和部件噪聲預(yù)測的相關(guān)模型以及算法，進(jìn)行某一轉(zhuǎn)速下或某一方向角度下的可聽化方法，更加真實(shí)地展現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造后端驗(yàn)證計(jì)算的環(huán)節(jié)。

2.2? 開發(fā)平臺(tái)穿戴設(shè)備介紹

HTC Vive頭戴式顯示器支持Steam VR平臺(tái)，手持控制手柄是HTC Vive的另外一個(gè)重要的組件，此組件可讓使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行實(shí)時(shí)性的交互，通過控制手柄在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行操作，比如抓取物體、射擊等。此交互可讓使用者深入地體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，增強(qiáng)身臨其境的感覺[7]?；究梢宰屖褂谜咴谔摂M現(xiàn)實(shí)環(huán)境中自由移動(dòng)，不用擔(dān)心碰到障礙物或者墻體。HTC Vive利用360°追蹤、高精度手柄控制器等技術(shù)，讓用戶在虛擬世界中自由行動(dòng)和交互，呈現(xiàn)更為沉浸的體驗(yàn)。Vive設(shè)備具有高清晰度的顯示屏、準(zhǔn)確的頭部追蹤、創(chuàng)新的手柄控制器等功能，HTC Vive等虛擬現(xiàn)實(shí)頭顯具有高度的交互性和沉浸感。

在此項(xiàng)目中需要 HTC 的目視功能，在 Unity 編輯器中，在左上方的菜單欄點(diǎn)擊進(jìn)入“Edit”菜單，在下拉選項(xiàng)中選擇“Project Settings”，然后選擇“Player”。還需確保啟用Virtual Reality Support及將焦點(diǎn)設(shè)置為場景視圖或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)面板，雙擊"SteamVR Camera"預(yù)設(shè)。在場景中創(chuàng)建一個(gè)攝像機(jī)，調(diào)整好位置和角度并且將相應(yīng)腳本控制的像機(jī)替換掉，用于顯示HTC Vive用戶視圖。點(diǎn)擊運(yùn)行就可以通過HTC設(shè)備來查看到模型。

2.3? UI交互開關(guān)

UI開關(guān)按鈕是為了后續(xù)的控制手柄交互，在Unity的漫游場景中，利用控制手柄指向并點(diǎn)擊按鈕來實(shí)現(xiàn)播放發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的音頻文件。首先需要在場景中創(chuàng)建一個(gè)畫布（canvas），在渲染模式選項(xiàng)改為世界空間后即可移動(dòng)到傳聲器陣列場景當(dāng)中。在該畫布內(nèi)創(chuàng)建5個(gè)按鈕，并分別命名為風(fēng)扇前傳、風(fēng)扇后傳、燃燒室、噴氣和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)，接著設(shè)置好按鈕，同時(shí)設(shè)立一個(gè)名為傳聲器的總按鈕，點(diǎn)擊此按鈕會(huì)顯示5個(gè)子按鈕，在子按鈕的Inspector中設(shè)置11個(gè)點(diǎn)擊事件。第一個(gè)事件是將音頻文件導(dǎo)入，其余10個(gè)事件則將音頻組件按順序拖入事件中，并選擇對(duì)應(yīng)GameObject中的SetActive功能。這樣，通過點(diǎn)擊90度傳聲器按鈕即可顯示5個(gè)子按鈕，選擇其中一個(gè)按鈕會(huì)顯示轉(zhuǎn)速按鈕，并按下后播放相應(yīng)的噪聲音頻。通過UI菜單點(diǎn)擊效果和觸發(fā)事件設(shè)置，可以根據(jù)不同角度的傳聲器需求，設(shè)置不同的UI點(diǎn)擊菜單，以播放由不同傳聲器監(jiān)測到的噪聲音頻。

在飛行噪聲實(shí)驗(yàn)場景中創(chuàng)建一個(gè)畫布，并將其渲染模式設(shè)置為世界空間。然后在該畫布內(nèi)添加5個(gè)按鈕，分別命名為ARJ21、翼身融合飛機(jī)、B737、AS350和X59作為機(jī)型選擇按鈕。在每個(gè)機(jī)型按鈕下，再創(chuàng)建以下子物體和子按鈕，在子按鈕的Inspector面板中設(shè)置點(diǎn)擊事件，每個(gè)按鈕事件均選擇相應(yīng)的GameObject中的SetActive功能。當(dāng)按下相應(yīng)的按鈕時(shí)，即可播放對(duì)應(yīng)的噪聲音頻，從而實(shí)現(xiàn)飛行噪聲的可聽化效果。通過這種方式，不僅可以選擇不同機(jī)型，還可以細(xì)分到發(fā)動(dòng)機(jī)各具體部件，播放與其相關(guān)的噪聲，從而更直觀地了解不同部件的噪聲特性。

3? 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲實(shí)時(shí)雙耳仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噪聲預(yù)測仿真項(xiàng)目不僅可以節(jié)省試驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)成本，還能讓使用者身臨其境地感受發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噪聲預(yù)測的實(shí)驗(yàn)過程。在此次仿真系統(tǒng)搭建過程中，首先需要Sharp 3D建模軟件對(duì)傳聲器和傳聲器陣列，以及相應(yīng)的角度和距離標(biāo)識(shí)，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中進(jìn)行場景布置，新建UI開關(guān)控制播放音頻，然后利用Matlab軟件結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲部件噪聲預(yù)測算法算出各部件在個(gè)角度下相應(yīng)的聲壓級(jí)，導(dǎo)出模擬好的噪聲音頻文件，Unity 3D中下載并導(dǎo)入SteamVR Plugin、VIVE Input Utility和VRTK的資源包，編輯相應(yīng)的腳本，最后用HTC Vive的手持控制手柄交互點(diǎn)擊觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的噪聲并播放。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要借助Unity 3D的UI按鈕，音頻播放組件及Matlab軟件進(jìn)行算法運(yùn)算。經(jīng)過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，最終確定對(duì)主要場景進(jìn)行制作。本系統(tǒng)需要將傳聲器陣列以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)跑道上，該標(biāo)準(zhǔn)跑道作為HTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設(shè)備漫游場景的主要范圍。

在搭建虛擬環(huán)境時(shí)，需要將標(biāo)準(zhǔn)跑道的.FBX格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D的Assets中，導(dǎo)入后，將模型拖入U(xiǎn)nity場景中會(huì)發(fā)現(xiàn)跑道模型沒有顯示該有的材質(zhì)，所以需要對(duì)導(dǎo)入文件進(jìn)行一些初始的設(shè)置[8]。在文件的導(dǎo)入設(shè)置中，將材質(zhì)創(chuàng)建模式改為Standard（legacy）后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)SRGB反照率顏色勾選框，點(diǎn)擊勾選，完成標(biāo)準(zhǔn)跑道的導(dǎo)入設(shè)置，需要把跑道文件中包含材質(zhì)貼圖的.fbm文件的所有JPG格式的圖片導(dǎo)入到Materials文件中，刷新Assets，再將模型拖入到Unity場景中，模型的材質(zhì)貼圖問題就解決了，跑道顯示正確的材質(zhì)顏色。

3.1? 基于快速傅里葉逆變換的噪聲音頻合成

本文基于MATLAB函數(shù)庫中的快速傅里葉逆變換函數(shù)（ifft）、audiowrite音頻寫入函數(shù)及sound矩陣聲音播放函數(shù)，實(shí)現(xiàn)原始噪聲數(shù)據(jù)的可聽化[7]。在Matlab中，需要從Excel讀取不同轉(zhuǎn)速下不同部件的SPL，把50～10 000這列的數(shù)組賦予x，將不同角度的這列數(shù)組賦予y。對(duì)讀取賦予的數(shù)值進(jìn)行插值：定義xx為50～25 000之間等距的25 000個(gè)點(diǎn)，定義yy為取得各點(diǎn)幅值，使用（x，y，xx）3條樣條處理原有曲線。生成一個(gè)相位隨機(jī)數(shù)組，并將插值處理過的數(shù)組與相位相乘：定義phase為1～25 000均勻分布的數(shù)字組成的10×1列向量，再乘以2π。將數(shù)組yy與angle按元素相乘，并在yyy中返回結(jié)果。對(duì)乘以相位的隨機(jī)數(shù)組進(jìn)行傅立葉逆變換，生成一個(gè)時(shí)間序列，取得時(shí)域數(shù)據(jù)的實(shí)數(shù)部分。接著利用audiowrite函數(shù)將時(shí)間序列輸出為音頻文件，采用頻率為8 129，每個(gè)樣本采用32位存儲(chǔ)。用audioread函數(shù)讀取該音頻文件后使用sound函數(shù)將音頻文件進(jìn)行播放。

Matlab導(dǎo)出的.wav音頻文件，將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D項(xiàng)目的Assets中，.wav文件不需要額外的導(dǎo)入設(shè)置。然后將CF34在多角度、不同轉(zhuǎn)速下的音頻文件拖入到開關(guān)按鈕點(diǎn)擊事件預(yù)留的位置上，進(jìn)入漫游場景點(diǎn)擊相應(yīng)的開關(guān)按鈕即可播放出相應(yīng)的噪聲音頻，具體流程如圖2所示。

圖2? 數(shù)據(jù)可聽化過程的流程圖

3.2? 交互功能設(shè)計(jì)

傳聲器陣列所有場景的搭建工作和按鈕制作后，需要結(jié)合HHTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設(shè)備進(jìn)行漫游場景的交互，所以使用到的Unity插件為VRTK，需要從Unity的Assets Store里下載并導(dǎo)入。在傳聲器陣列以及跑道的場景搭建VRTK環(huán)境。將VRTK_Script其中的CameraRig移動(dòng)至UI按鈕開關(guān)前，以便運(yùn)行時(shí)直接與UI按鈕開關(guān)進(jìn)行交互。在場景中的黃色跑道對(duì)象中需要掛載一個(gè)名為“Box”的組件，作為漫游場景的參考面，Box盡量高于黃色跑道并且范圍盡可能大，若漫游移動(dòng)范圍超出Box，漫游視角將無限掉下參考面。在VRTK_SDK Manager中將控制手柄對(duì)象拖入到相應(yīng)的位置上，勾選上Auto Manage、Auto Manage VR Settings和Auto Load。

調(diào)試好VRTK的組件后，配置左右手控制手柄的射線。在場景中名為“VRTK_Script”的對(duì)象中有左右控制手柄的對(duì)象。在左右控制手柄對(duì)象中分別添加名為“VRTK_ControllerEvents”的組件，該組件用來獲取控制手柄上的按鈕;添加名為“VRTK_Pointer”的組件，該組件可以讓控制手柄發(fā)出指向性的射線;添加名為“VRTK_StraightPointRenderer”的組件，該組件可以讓手柄發(fā)出的射線為直線，并選擇射線發(fā)出和觸碰的顏色;添加名為“VRTK_InteractTouch”的組件，該組件可以識(shí)別交互的邊界及觸發(fā)方式，最后添加名為“VRTK_UIPointer”的組件，該組件可以讓射線與UI界面進(jìn)行交互，用射線指向按鈕，并用扳機(jī)激活按鈕相應(yīng)的功能。

配置好以上功能后，接下來完成UI交互功能。在LeftControllerScriptAliast和RightControllerScriptAlias中的激活按鈕改為Trigger Press。接著在Canvas中添加名為“VRTK_UI Canvas”的組件，控制手柄發(fā)出的射線就能和設(shè)置的UI按鈕開關(guān)進(jìn)行交互了。在添加一系列VRTK組件和組件之間的掛載聯(lián)系后，場景漫游的交互便可以實(shí)現(xiàn)了。戴上HTC頭盔及連接控制手柄，在Unity場景漫游中移動(dòng)到按鈕開關(guān)面前，扣動(dòng)操控手柄的扳機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊播放CF34的Fan Inlet、Fan Exhaust、Combustion、Jet及Total在多個(gè)轉(zhuǎn)速下的噪聲音頻。

4? 結(jié)束語

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲數(shù)據(jù)沉浸式空間可聽化擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)噪聲進(jìn)行預(yù)測，具有良好的前景和發(fā)展空間。基于HTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設(shè)備的UI交互和場景漫游功能，通過預(yù)測算法將噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以播放的噪聲音頻文件，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)地面靜態(tài)噪聲測試，并應(yīng)用某一轉(zhuǎn)速下或某一方向角度下的可聽化方法，將有助于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造過程中“真實(shí)”進(jìn)行測試，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的適航性能加以驗(yàn)證，加快其研發(fā)與改進(jìn)。

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