飛行模擬器聲音模擬系統(tǒng)技術(shù)研究

摘要：飛行模擬器能夠復(fù)現(xiàn)飛行器及空中環(huán)境，并為裝備操作人員提供使用模擬，從而有效輔助飛行員進(jìn)行訓(xùn)練，加速裝備效能發(fā)揮。聲音模擬系統(tǒng)作為飛行模擬器的重要系統(tǒng)之一，能夠?yàn)轱w行員提供聲音仿真，創(chuàng)造逼真的環(huán)境感受。文章以飛行模擬器中聲音模擬系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過分析聲音模擬系統(tǒng)在實(shí)際訓(xùn)練中的需求，構(gòu)建了聲音模擬系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)及特性；并通過對(duì)聲音環(huán)境進(jìn)行梳理，明確了聲音模擬系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容。最后結(jié)合國(guó)內(nèi)外聲音仿真技術(shù)的發(fā)展，梳理了聲音模擬系統(tǒng)的發(fā)展路徑。通過聲音模擬系統(tǒng)，能夠在聽覺角度使飛行模擬器發(fā)揮更大作用。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器；聲音仿真；數(shù)字仿真

中圖分類號(hào)：V216.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代裝備的不斷發(fā)展以及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不斷變化，對(duì)裝備操作人員提出了更高的要求。飛行模擬器作為一種對(duì)飛行器進(jìn)行模擬的設(shè)備，在民航、軍事領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。在廣義方面，飛行模擬器的可模擬范圍包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等一切可飛行裝置；在狹義方面，飛行模擬器可定義為用來模擬飛行器飛行且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、功能較多的裝置。飛行模擬器的不斷發(fā)展，為促進(jìn)訓(xùn)練效果提升、提高操作人員訓(xùn)練水平具有重要意義。

飛行模擬器通常由模擬座艙、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景/聲音系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和教員控制臺(tái)5部分組成［1］。最早的飛行模擬器面世于20世紀(jì)20年代末，其發(fā)展歷程從最初的機(jī)械式發(fā)展為電子式，直至當(dāng)代廣泛使用的數(shù)字式模擬器［2］。現(xiàn)代的飛行模擬器綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、電氣、機(jī)械、光學(xué)等各領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)，可以使操作人員獲得最接近現(xiàn)實(shí)的使用體驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)的真機(jī)訓(xùn)練，飛行模擬器具備訓(xùn)練維護(hù)成本低、安全性可靠性高、訓(xùn)練不受場(chǎng)地及天氣等環(huán)境因素約束、可以自由對(duì)各種極端條件進(jìn)行模擬以及場(chǎng)景可重復(fù)、可對(duì)同一條件進(jìn)行多次訓(xùn)練的優(yōu)點(diǎn)［3］?；诖耍w行模擬器能夠最大限度為操作人員提供地面訓(xùn)練條件，保障飛行訓(xùn)練有序開展。

在飛行模擬器中，操作人員主要通過視景模擬系統(tǒng)和聲音模擬系統(tǒng)分別獲取視覺及聽覺信息。聽覺是人體中極敏感的一種感覺，是飛行員感知環(huán)境態(tài)勢(shì)的重要因素之一［4］。一套優(yōu)秀的聲音模擬系統(tǒng)是飛行模擬器中不可或缺的一部分，能夠?yàn)轱w行員提供飛行操作中所感受的駕駛艙聲音。聲音模擬系統(tǒng)的主要作用是結(jié)合視景仿真系統(tǒng)，為飛行員提供逼真、沉浸的視聽感受，幫助飛行員從聽覺上正確地判斷飛機(jī)的飛行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)操作的實(shí)時(shí)仿真。

1 聲音模擬系統(tǒng)功能分析

目前，國(guó)外先進(jìn)的飛行模擬器中，聲音模擬系統(tǒng)通常采用聲音的實(shí)時(shí)生成技術(shù)，因此對(duì)聲音的定位與空間化、距離感、聲源的瞬態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性（如聲音的多普勒效應(yīng)、聲音的疊加和同步等）表現(xiàn)得較為真實(shí)［5］。國(guó)內(nèi)關(guān)于聲音模擬系統(tǒng)的研究起步較晚，模擬器中的聲音模擬系統(tǒng)都是簡(jiǎn)單地模擬飛行器運(yùn)行時(shí)的環(huán)境聲音，比如一些飛行模擬器僅是一種簡(jiǎn)單的聲音播放，雖然具有程序控制功能，但是就聲音本質(zhì)而言，模擬效果單調(diào)，缺乏真實(shí)感。模擬聲音不能隨環(huán)境變化而變化，不具備特殊音效，無法適應(yīng)部分場(chǎng)景的特殊需求。也有部分模擬器可以提取聲音的頻譜信息、響度信息等要素，通過處理生成所需聲音，可以很好地實(shí)現(xiàn)聲音的同步疊加與距離感，但在聲音方向性方面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)還有所欠缺，有待進(jìn)一步提高。

通過飛行模擬器進(jìn)行日常訓(xùn)練的目的是培養(yǎng)飛行員的駕駛能力，從而豐富飛行員的駕駛經(jīng)驗(yàn)。因此，飛行模擬器的聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)以真實(shí)的飛行操作為主體導(dǎo)向，便于教員與飛行員之間的相互溝通，并方便使用、維護(hù)的全過程管理，具有較好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性［6］。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外聲音模擬系統(tǒng)進(jìn)行梳理分析，并結(jié)合實(shí)際使用需求，聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備如下功能。

（1）播放聲音功能。播放聲音是聲音模擬系統(tǒng)最基本的功能，通過有效的聲音仿真，可以增加模擬器的逼真度，增強(qiáng)使用者的沉浸感。

（2）數(shù)據(jù)接收功能。聲音模擬系統(tǒng)是飛行模擬器的一部分，在實(shí)際使用中，聲音模擬系統(tǒng)必須與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)合作，才能完成整體的模擬指令。

（3）混音功能。在真實(shí)的飛行過程中，聲場(chǎng)環(huán)境極為復(fù)雜，包含來自多個(gè)設(shè)備、多個(gè)場(chǎng)景的聲音。因此在播放模擬聲音時(shí)，需要利用混音功能將不同的聲音在同一聲道中播出。

（4）實(shí)時(shí)通信功能。通過實(shí)時(shí)通信功能，飛行員在模擬器中訓(xùn)練時(shí)，能夠與教練員進(jìn)行實(shí)時(shí)的溝通交流。

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，為使聲音模擬系統(tǒng)在使用中更逼近真實(shí)飛行，還需滿足以下特性：

（1）全面性。飛行員在實(shí)際駕駛時(shí)，遇到的外界環(huán)境以及飛行狀態(tài)隨機(jī)多樣，因此需要飛行模擬器能夠提供各種情況下的聲音響應(yīng)。例如遭遇雷雨天氣，若飛機(jī)平臺(tái)自身噪聲較小，此時(shí)聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)能模擬雷聲、雨聲及風(fēng)聲；若飛機(jī)平臺(tái)噪聲性能更加優(yōu)越，則對(duì)模擬器有了更高的要求，此時(shí)聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)能體現(xiàn)出雨滴碰撞金屬機(jī)身、玻璃窗的聲音等［7］。綜上所述，飛行模擬器的全面性越好、能模擬的場(chǎng)景越多，越能夠體現(xiàn)細(xì)節(jié)效果。

（2）真實(shí)性。真實(shí)性確保了聲音模擬系統(tǒng)所提供的聲音應(yīng)當(dāng)清晰且真實(shí)準(zhǔn)確，可以令操作人員準(zhǔn)確地辨識(shí)聲音種類。在載機(jī)飛行過程中，飛行員需要獲取海量信息。若僅依賴眼睛觀察獲取儀表盤的信息、環(huán)境信息和任務(wù)目標(biāo)信息具有較高難度，還需要結(jié)合聽覺信息，完成對(duì)環(huán)境態(tài)勢(shì)的綜合判斷。例如在實(shí)際訓(xùn)練過程中，飛行人員通過引擎聲、氣流聲來獲得飛機(jī)自身的狀態(tài)信息，或通過氣流聲、多普勒效應(yīng)等分析判斷敵機(jī)及導(dǎo)彈的位置及遠(yuǎn)近。因此，聲音模擬系統(tǒng)的真實(shí)性，能夠確保操作人員準(zhǔn)確掌握實(shí)際飛行中的各種聲音。

（3）方向準(zhǔn)確性。方向準(zhǔn)確性反映了聲音模擬系統(tǒng)中不同聲音、聲源位置與真實(shí)情況的符合程度。如圖1所示，不同方向的聲源會(huì)對(duì)人耳產(chǎn)生不同的聽覺感受。在實(shí)際訓(xùn)練過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合裝備特征，準(zhǔn)確反映聲源信息。比如針對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)，其起落架聲音應(yīng)源自下方；針對(duì)直升機(jī)，其螺旋槳聲音應(yīng)源自飛行員后側(cè)上方；針對(duì)運(yùn)輸機(jī)，其引擎聲應(yīng)源自飛機(jī)左右兩側(cè)。如果模擬的聲音方向不準(zhǔn)確，會(huì)讓飛行員錯(cuò)誤判斷形勢(shì)，無法正確掌握飛行信息，從而降低模擬的真實(shí)性，降低訓(xùn)練效果。

（4）運(yùn)行穩(wěn)定性。飛行模擬器聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，避免因程序優(yōu)化問題、硬件問題、兼容性問題等各方面因素影響模擬器正常運(yùn)行，從而影響操作人員訓(xùn)練。

（5）響應(yīng)迅速性。飛行模擬器聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)流暢運(yùn)行，對(duì)各種信號(hào)的響應(yīng)延遲應(yīng)迅速靈敏。在真實(shí)飛行過程中，飛行器自身具備極大的速度，這就導(dǎo)致飛行員在飛行過程中遇到各種情況時(shí)，只有極短的反應(yīng)時(shí)間。如果聲音模擬系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致飛行員對(duì)突發(fā)情況反應(yīng)不及時(shí)，嚴(yán)重影響操作人員的訓(xùn)練效果。

2 聲音模擬分析

2.1 聲音類型及特點(diǎn)分析

為了讓聲音模擬系統(tǒng)能夠全面地模擬各種聲音，應(yīng)結(jié)合飛機(jī)平臺(tái)特點(diǎn)，對(duì)飛行過程時(shí)產(chǎn)生的各種聲音進(jìn)行分類，并按類別及特點(diǎn)進(jìn)行仿真。通過統(tǒng)計(jì)分析飛機(jī)平臺(tái)聲音數(shù)據(jù)，飛機(jī)實(shí)際飛行時(shí)的聲音種類過于繁多，如果在模擬過程中完全復(fù)現(xiàn)所有聲音，可能受到硬件限制（CPU、聲卡無法滿足性能需求）及聲特性（聲音反射、混響）限制。因此，需要對(duì)各種聲音進(jìn)行分類簡(jiǎn)化［8］。按照循環(huán)特點(diǎn)，可以將載機(jī)平臺(tái)聲音分為以下循環(huán)類型。

（1）單次型。此類型聲音可直接播放，如飛機(jī)起落架收上、放下聲以及地面通話聲等。

（2）單次循環(huán)型。此類型聲音可明顯分成幾段，然后循環(huán)播放，如飛機(jī)警報(bào)聲等。

（3）純循環(huán)型。此類型聲音循環(huán)無變化，如外部環(huán)境中的雷聲、雨聲以及座艙內(nèi)電子儀器的運(yùn)作聲等。

（4）循環(huán)改變音量型。此類型聲音與循環(huán)型近似相同，但在播放時(shí)需要改變聲音的音量，如飛機(jī)外風(fēng)的聲音等。

（5）循環(huán)改變頻率型。此類型聲音與循環(huán)型近似相同，但在播放時(shí)需要改變聲音的頻率，如飛機(jī)輪胎與跑道的摩擦聲等。

（6）循環(huán)改變音量、頻率型。此類型聲音需要隨飛行參數(shù)的變化，相應(yīng)改變聲音的音調(diào)和音量，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子聲、進(jìn)氣排氣聲等。

2.2 聲音模擬技術(shù)分析

隨著音頻技術(shù)的發(fā)展，聲音模擬技術(shù)從模擬頻率合成技術(shù)發(fā)展至數(shù)字音頻技術(shù)。隨著音頻軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，聲音仿真技術(shù)也隨之進(jìn)步。

2.2.1 模擬頻率合成技術(shù)（硬件技術(shù)）

在聲音模擬技術(shù)發(fā)展的初期，由于不具備開發(fā)音頻軟件的條件，基本只能采用模擬頻率合成的方法，且僅通過硬件方式實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用過程中，首先要采集所需要的聲音，對(duì)其進(jìn)行分析后取得頻譜值，然后以頻譜值為約束條件對(duì)諧波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率和幅值進(jìn)行控制，最后再用濾波器和混頻器進(jìn)行處理，得到合成好的聲音［9］。如圖2所示為連續(xù)聲音模擬信號(hào)，由于這種方法獲得的聲音逼真度低且需要大量硬件才能實(shí)現(xiàn)，逐漸被數(shù)字音頻技術(shù)所淘汰。

2.2.2 數(shù)字音頻技術(shù)

數(shù)字音頻技術(shù)將聲音信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)字序列中，利用多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)的產(chǎn)生、濾波、變換、頻率調(diào)整、幅值調(diào)整、延時(shí)以及增強(qiáng)等，最后合成得到所期望的聲音。如圖3所示為數(shù)字音頻離散信號(hào)。數(shù)字音頻技術(shù)較模擬頻率合成方法而言有了一些進(jìn)步，不再需要大量的硬件支持且具有更高的靈活性，但由于其同樣是通過控制幅值和頻率實(shí)現(xiàn)聲音仿真，所以逼真度不高。

2.2.3 聲音仿真技術(shù)（軟硬件結(jié)合技術(shù)）

隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，專業(yè)的音頻硬件的產(chǎn)生，使聲音仿真技術(shù)步入了新臺(tái)階。較早出現(xiàn)的數(shù)字硬件是音頻芯片，音頻芯片需要配套的程序才能工作，通過軟件操控芯片的發(fā)聲，這種方法失真低、反應(yīng)快，較之前的方法有了較大的進(jìn)步。不過仍然只能在二維層面實(shí)現(xiàn)聲音的仿真，無法在三維層面模擬出想要的聲音效果，用戶使用沉浸感不強(qiáng)。因此，在后續(xù)研究中，采用新的仿真技術(shù)方法。首先對(duì)聲音進(jìn)行采樣分析，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理后，將處理結(jié)果導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，通過仿真軟件實(shí)現(xiàn)混音與回放等操作，最后通過多聲道設(shè)備進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)三維立體聲仿真，令用戶獲得更好的體驗(yàn)感。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代環(huán)境態(tài)勢(shì)的瞬息萬(wàn)變以及飛機(jī)平臺(tái)功能的多樣化、精細(xì)化發(fā)展，飛行人員地面輔助訓(xùn)練的作用不斷提高，飛行模擬器對(duì)于促進(jìn)戰(zhàn)斗力生成、提高飛行人員裝備操作水平具有重要意義。本文針對(duì)飛行模擬器的聽覺系統(tǒng)，對(duì)其聲音模擬系統(tǒng)進(jìn)行了論述。通過分析聲音模擬系統(tǒng)的使用需求，并對(duì)其進(jìn)行功能分析，明確了聲音模擬系統(tǒng)的特性。通過聲音模擬系統(tǒng)，能夠?yàn)椴僮魅藛T提供真實(shí)的聽覺特征，真實(shí)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

（1）聲音模擬系統(tǒng)的效果是軟件與硬件協(xié)調(diào)合作所形成的，在實(shí)際作戰(zhàn)使用中，可根據(jù)不同機(jī)型對(duì)應(yīng)不同的需求，從而更新相應(yīng)的軟件。

（2）為滿足部隊(duì)使用，聲音模擬系統(tǒng)應(yīng)充分考慮可維修性，滿足裝備的使用、維護(hù)需求。

（3）后續(xù)，可考慮將不同裝備的聲音模擬系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)聲音模擬系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)聲音模擬系統(tǒng)的統(tǒng)型發(fā)展。

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Research on sound simulation system technology of flight simulator

Abstract： Flight simulators can reproduce aircraft and air environments， and provide use simulations for equipment operators， thereby effectively assisting pilots in training， accelerating the effectiveness of weapons and equipment， and promoting the generation of combat effectiveness of troops. As one of the important systems of flight simulators， the sound simulation system can provide pilots with sound simulation and create a realistic battlefield environment experience. This paper takes the sound simulation system in the flight simulator as the research object. By analyzing the needs of the sound simulation system in the actual training of the troops， the functional structure and characteristics of the sound simulation system are constructed; and by combing the battlefield sound environment， the research content of the sound simulation system is clarified. Finally， combined with the development of sound simulation technology at home and abroad， the development path of the sound simulation system is sorted out. Through the sound simulation system， the flight simulator can be kept close to actual combat from the auditory perspective.

Key words： flight simulator; sound simulation; digital simulation