多通道数字模拟混合音响仿真系统的设计与实现

    摘要：采用数字与模拟混合控制技术，利用多种声源的组合，实现了飞机发动机音响及环境音响的仿真。

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    飞行模拟器在整个飞行过程中不仅给飞行员提供逼真的视觉、力感和动感而且还要有逼真的音响效果使飞行员感到身临其境，帮助飞行员从听觉上能正确判断出飞机的飞行状态。音响效果的仿真主要有模拟式和数字式两种，模拟式仿真音响适合于实时控制，数字式仿真音响逼真度高。本文依据飞机发动机的频谱特性，设计了能够实现单、双转子噪声、喷气噪声的模拟电路；依据环境音响的特性，设计了能够实现各种环境音响的多通道数字音响效果播放卡。该音响仿真系统可应用于螺旋浆式发动机声及单、双转子的喷气发动机声的仿真，能仿真出各种机内操纵效果音响及机外摩擦、雷电等多种效果音响，还可开发用于舰船及陆地机动设备的音响效果仿真。

1 发动机音响的频谱分析

    为了对发动机的仿真音响进行实时控制，首先要对发动机的音响频谱进行分析。如经过现场实地录音、采集，歼六飞机发动机的噪声频谱如图１所示。

    通过频谱分析仪对歼六飞机发动机的噪声频谱进行分析，它是由三种声音组成，即涡轮声、喷气声和进气声。涡轮声是发动机涡轮转子转动过程中压缩空气时发出的尖叫声，是由两个单一频率的波形组成的。频率变化从０～４６Ｈｚ，它的频率和振幅都是发动机转速的函数。发动机从０～５５００ｒ／ｍｉｎ，涡轮声的幅值是不断提高的；从５５００ｒ／ｍｉｎ到额定转速，幅值又是不断下降，到８５００ｒ／ｍｉｎ以后，人耳基本上感觉不到涡轮声了。喷气声的频率基本上在２００～５００Ｈｚ之间，它的频率和振幅也是发动机转速的函数，人耳的感觉是轰鸣声。进气声可忽略。

2 硬件设计

    依据飞机发动机的噪声频谱特点及声音与发动机转速的关系，设计了硬件电路。该系统由音响控制计算机、多功能音响效果生成和播放卡、多通道功率放大器和多通道扬声器等部分组成，其核心部分是自行研制的多功能音响效果生成和播放卡，它由音响效果生成和多通道数字音响效果播放两部分组成。图２给出了教练八飞机仿真音响效果生成和播放卡结构示意图。

2.1 音响效果生成电路

    利用压控振荡器４０４６的振荡频率与数控电压成线性比例关系的特性设计了生成涡轮声的高低压转子电路。通过输入相应的转速数字信号，可产生不同频率的涡轮声信号（见图３）。通过设置初始频率及通过高低压转子幅值控制电路实时改变幅值，即可产生相应的高低压转子信号。

    利用晶体二极管 ＰＮ结的白噪声（热噪声、散弹噪声）生成了喷气发动机的喷气噪声。经过选择与实验，喷气噪声生成电路如图４，依据输入的油门位置和发动机功率的大小生成不同频率的白噪声，通过喷气噪声幅值控制电路实时控制幅值而生成的喷气噪声经过检测，生成的噪声波形与实际的喷气噪声波形非常相似。

2.2 多通道数字音响效果的播放

    可将存于计算机中的数字音响信号还原成相应的模拟音响信号放大，经过多种声音的切换、叠加后输出音响信号而进行播放（如图５所示）。该数字通道可对发动机启动声、发动机停车声及环境效果声（收放起落架声、收放襟翼声、收放减速板声和着陆摩擦声）进行仿真，这些声音的原始音源是通过实地录音采集或影音剪辑获得。

2.3 数字音响和模拟音响的拟合与切换

    为了避免与计算机已有的硬件产生冲突，设计了相应的跳线结构，随时可通过跳线来改变其相应的地址。以下是实际选择的一组地址。

    ３９０Ｈ 高压转子涡轮声频率

    ３９１Ｈ 高压转子涡轮声幅值

    ３９２Ｈ 低压转子涡轮声频率

    ３９３Ｈ 低压转子涡轮声幅值

    ３９４Ｈ 喷气噪声频率

    ３９５Ｈ 喷气噪声幅值

    ３９６Ｈ － ３９ＢＨ 多路数字音源的直接通道

    为了逼真地产生飞机发动机的音响声，在发动机启动和停车状态，采用纯数字音响；在发动机的其它工作状态，采用模拟音响来实现实时控制，使发动机按照油门位置、转子的转速和发动机的功率产生逼真的实时音响。数字音响与模拟音响之间需要飞行主程序进行切换。

3 软件设计

    音响仿真系统的数学模型如下。

    涡轮声：Ｂ＝ｃ

    Ｆ＝ａ＋ｋ（Ｎ－ｎ）

    喷气噪声：Ｂ＝ａ＋ｋ（Ｙｍ－０．２１）

    Ｆ＝ａ＋ｋ（Ｙｍ－０．２１）

    其中Ｂ为幅值、Ｆ为频率、Ｎ为转速、Ｙｍ为油门位置、ａ为基准值、ｃ为设定值、ｋ为比例因子、０．２１为油门基准值。

    下面给出教练八飞机音响仿真系统的数学模型。

    高压转子涡轮声

    Ｂ＝ｃ

    Ｆ＝１５２．００＋０．０１２４３５１（Ｎ１－９０６０．０）

    低压转子涡轮声

    Ｂ＝ｃ

    Ｆ＝１１６．００＋０．０１２９００５（Ｎ２－６５００．０）

    喷气噪声：

    Ｂ＝１５６．０＋１２０．８（Ｙｍ－０．２１）

    Ｆ＝１８．０＋１２．８（Ｙｍ－０．２１）

    其中Ｎ１为高压转子转速、Ｎ２为低压转子转速。

    音响仿真系统的软件程序用 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 编写，程序框图如图６所示，由Ｄｒｉｅｃｔ ｘ Ｓｏｕｎｄ 插播环境效果音响。如飞机左单轮接地时的音响效果仿真，背景为发动机声（喷气声和涡轮声），由音响系统主声道播出。由于飞行员在着陆时带左坡度，使飞机左机轮先接地，因而音响系统的左声道实时播出机轮接地的摩擦声。此时飞行员除通过视景系统目测外，还可用听觉来判断出飞机是左单轮先接地。