飛行模擬器聲音仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

吳慧欽，王志強(qiáng)，阿西達(dá)，汪曉翠

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

教練機(jī)作為飛行員訓(xùn)練體系的核心部分，擔(dān)負(fù)著飛行員的訓(xùn)練任務(wù)，是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力快速生成的保障。飛行模擬器用于飛行人員的地面訓(xùn)練，已經(jīng)在飛行訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與真實(shí)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)際飛行訓(xùn)練相比，飛行模擬器具有可控性、無破壞性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

聲音仿真系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分，模擬飛行過程中的各種聲音效果，為飛行員提供一個(gè)逼真的音效環(huán)境。主要功能包括：座艙環(huán)境噪音、提示告警音、導(dǎo)航音；前、后艙飛行人員和教員之間的語音通話。因此，在飛行模擬系統(tǒng)仿真中，真實(shí)、完全地再現(xiàn)飛行操作人員周圍各個(gè)方位的各種聲源是十分必要的。聲音仿真技術(shù)的研究對(duì)于聲音仿真系統(tǒng)產(chǎn)品的研制具有重要意義。

正是基于這種需要,本文采用聲音建模與動(dòng)態(tài)調(diào)度相結(jié)合的方法進(jìn)行聲音仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方法處理速度快,實(shí)時(shí)性好,編程容易實(shí)現(xiàn)。 采用DirectX的音頻API（應(yīng)用程序編程接口）—XAudio2 及8 路×8 路的音頻矩陣。在 Windows 平臺(tái)上采用 Visual C＋＋2010開發(fā)了聲音仿真軟件。通過應(yīng)用于模擬器飛行，驗(yàn)證該方案的正確性和有效性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 仿真內(nèi)容

聲音仿真系統(tǒng)模擬飛機(jī)在地面滑跑、起飛、空中飛行、下降、著陸等各階段飛行人員在駕駛艙內(nèi)可聽到的典型聲音效果，包括環(huán)境噪聲、告警導(dǎo)航音及通話子系統(tǒng)。

1） 環(huán)境噪音

主要仿真飛機(jī)在各個(gè)階段和各個(gè)操作過程中的綜合環(huán)境噪音，具體包括：

①發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪音：發(fā)生器起動(dòng)、發(fā)生器關(guān)車、單發(fā)起動(dòng)、單發(fā)關(guān)車、單發(fā)慢車狀態(tài)、單發(fā)巡航狀態(tài)、單發(fā)最大巡航狀態(tài)、單發(fā)額定狀態(tài)和單發(fā)最大狀態(tài)；

② 氣流噪音：飛機(jī)在不同馬赫數(shù)點(diǎn)時(shí)，飛行人員在駕駛艙內(nèi)可聽到的氣流聲；

③起落架收放噪音；

④襟翼、減速板收放噪音；

⑤地面滑跑與飛機(jī)接地噪音：飛機(jī)在多個(gè)速度點(diǎn)滑跑和兩輪滑跑狀態(tài)地面的噪音及飛機(jī)接地時(shí)輪胎與地面摩擦聲的噪音；

⑥液壓、冷氣、電氣系統(tǒng)工作聲。

2）告警導(dǎo)航音

主要仿真機(jī)載系統(tǒng)音頻信號(hào)，具體包括：無線電地面電臺(tái)、導(dǎo)航臺(tái)音頻信號(hào)、告警系統(tǒng)音頻、告警系統(tǒng)告警語音等。

3）通話子系統(tǒng)

主要模擬語音通訊通話，具體包括：受訓(xùn)飛行員之間的音頻通話、教員與飛行員的直接通話、話音自聽。

1.2 仿真方法

目前國(guó)內(nèi)外飛行模擬器實(shí)現(xiàn)聲音實(shí)時(shí)仿真方法有兩種:

1） 聲音建模與合成方法[1]，簡(jiǎn)稱建模法，即：先采集聲音信號(hào)，對(duì)原始的聲音素材進(jìn)行離線頻譜分析得到其頻域模型，在聲音仿真中根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算不同聲音的頻率和幅值，從而控制音響發(fā)生器發(fā)出聲音。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)量小、交互性好，可以做到聲音變化的自然平滑過渡，但計(jì)算量較大且聲音逼真度不高。

2） 聲源采樣、動(dòng)態(tài)調(diào)度法，簡(jiǎn)稱調(diào)度法，即: 將飛行過程中所需要的各種聲音直接錄制成聲音文件保存到聲音素材庫，在聲音仿真中根據(jù)飛機(jī)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)度聲音文件。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是聲音逼真、計(jì)算量小，但交互性較差、占用較大的存儲(chǔ)空間。

鑒于上述兩種方法各有利弊，本文采用了對(duì)不同的音效使用不同的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并融合了XAudio2的硬件加速功能，從而對(duì)飛行模擬器的音效進(jìn)行仿真。

1.3 XAudio2 組件

XAudio2 是微軟公司推出的DirectX 音頻組件，相比之前的DirectSound 在3D 聲音以及環(huán)繞聲音上有很大的改進(jìn)，可單獨(dú)為每個(gè)揚(yáng)聲器設(shè)置音量。

XAudio2 技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)[2]：

1） XAudio2 提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的可編程數(shù)字信號(hào)處理（DSP）框架，同時(shí)為每個(gè)聲音提供了內(nèi)置的濾波器，以達(dá)到高效濾波的效果。

2） 次混音效果就是把幾個(gè)聲音混合成一個(gè)單一的音頻流。 XAudio2 允許任意層次的次混音，能夠創(chuàng)造出復(fù)雜的聲音以及混音。

3） 支持壓縮音頻格式，XAudio2 在 Windows 中支持ADPCM 和xWMA 壓縮格式。

4） 增強(qiáng)多通道和環(huán)繞立體聲效果。 XAudio2 取消了以往只支持6 聲道的限制，支持任意具有多聲道功能的聲卡，且不需要硬件加速。在Windows 平臺(tái)中，3D 聲音和環(huán)繞聲更加靈活和透明。

5） 多采樣率處理。為了最大限度地減少CPU 的使用率，XAudio2 提供了創(chuàng)建多個(gè)低速率音頻處理的技術(shù)。

6） 非阻塞 API 模型，XAudio2 技術(shù)所采用的調(diào)節(jié)方法不會(huì)阻塞音頻處理引擎，在其他運(yùn)行中也不會(huì)造成音頻處理引擎阻塞問題。

1.4 音頻矩陣

音頻矩陣提供8 路音頻輸入、8 路音頻輸出的全功能矩陣混音控制。用于各類模擬器中的通信、告警等聲音系統(tǒng)，全功能的矩陣混音功能可提供每個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)的254 級(jí)音量控制，且每個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立靜音控制。

1.5 系統(tǒng)原理

聲音仿真系統(tǒng)由聲音仿真軟件、聲音仿真計(jì)算機(jī)、音頻功率放大器、音頻矩陣、音箱及耳麥組成。

根據(jù)飛行模擬器中各種聲音的不同特點(diǎn)，將其分為固定聲源、實(shí)時(shí)生成聲源和實(shí)時(shí)語音通話3 大類[3]。

1） 固定聲源，主要包括告警導(dǎo)航音、起落架、襟翼、減速板收放聲。 這種聲音對(duì)象單一、短小、經(jīng)常重復(fù)，不隨飛行狀態(tài)的變化而變化，不需要進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。 所以采用調(diào)度法，將聲音直接錄制成聲音文件保存到聲音文件素材庫中，在告警導(dǎo)航音信號(hào)觸發(fā)時(shí)根據(jù)索引號(hào)調(diào)出相應(yīng)的文件，利用XAudio2 組件進(jìn)行播放即可。

2） 實(shí)時(shí)生成聲源，主要包括環(huán)境噪音。飛機(jī)在飛行過程中，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、飛行高度等參數(shù)有關(guān)，地面滑跑聲、接地聲及氣流噪音與速度等參數(shù)有關(guān)。 若采用調(diào)度法，則需要在每一個(gè)具體的飛行狀態(tài)節(jié)點(diǎn)采集聲音信號(hào)存入聲音文件素材庫中，這樣加大了存儲(chǔ)空間的占用，降低了聲音交互性與實(shí)時(shí)性。 因此采用建模法，根據(jù)飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算不同狀態(tài)的聲音頻率和幅值，利用XAu-dio2 組件對(duì)聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)合成。

3） 實(shí)時(shí)語音通話，主要是前／后艙飛行員、教員與飛行員進(jìn)行實(shí)時(shí)通話，前、后艙和教員控制臺(tái)處語音信號(hào)經(jīng)音頻矩陣后輸出至教員控制臺(tái)終端，同時(shí)與語音告警音混音后經(jīng)阻抗調(diào)節(jié)單元輸出至前、后艙耳麥。

聲音仿真軟件運(yùn)行在聲音仿真計(jì)算機(jī)上，通過UDP 以太網(wǎng)與飛機(jī)仿真系統(tǒng)及音頻矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 軟件接收飛機(jī)仿真系統(tǒng)發(fā)送的飛行參數(shù)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、飛行速度、起落架、襟翼、減速板狀態(tài)、告警導(dǎo)航音信號(hào)等）、各語音通訊音量大小，通過調(diào)用XAudio2 組件播放固定聲音及實(shí)時(shí)生成聲源，經(jīng)聲卡傳輸給音頻矩陣設(shè)備再到音箱及耳麥。同時(shí)發(fā)送音量數(shù)據(jù)至音頻矩陣，從而控制各輸出通道音量大小。 原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于Microsoft Visual Studio C＋＋2010 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)編程。 軟件根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)，調(diào)整音源庫聲音素材的頻率和音量，合成環(huán)境噪音模擬音頻信號(hào)，通過聲卡輸出。根據(jù)飛機(jī)告警信號(hào)和告警等級(jí)，進(jìn)行語音告警信號(hào)排序，并按飛機(jī)告警邏輯從音源庫調(diào)用對(duì)應(yīng)語音告警聲音文件，生成音頻信號(hào)，通過聲卡輸出。同時(shí)軟件通過以太網(wǎng)與音頻矩陣進(jìn)行通訊， 控制各輸入通道對(duì)應(yīng)的輸出通道，以及設(shè)置各輸出通道的音量。

根據(jù)軟件的主要功能，可以分為五個(gè)模塊：配置文件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、枚舉聲卡、環(huán)境音播放、告警音播放。軟件流程圖如圖2 所示。

3 結(jié)語

在某型教練機(jī)飛行模擬器中，經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試，驗(yàn)證了聲音仿真系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加靈活、便于擴(kuò)展。播放環(huán)境噪音及告警音的混音效果好，多通道輸出語音通話，彼此獨(dú)立，便于單通道控制。以配置文件的形式管理告警音文件的播放，以編號(hào)區(qū)分告警音的等級(jí)（危險(xiǎn)、警告、注意、提示等），實(shí)現(xiàn)按告警的優(yōu)先級(jí)別排序后依次告警，便于對(duì)告警音的增加、刪除管理功能。通過該聲音仿真系統(tǒng)，為飛行員提供逼真的音效環(huán)境，在實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)了較好的效果。