摘要：采用數字與模擬混合控制技術，利用多種聲源的組合，實現(xiàn)了飛機發(fā)動機音響及環(huán)境音響的仿真。

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飛行模擬器在整個飛行過程中不僅給飛行員提供逼真的視覺、力感和動感而且還要有逼真的音響效果使飛行員感到身臨其境，幫助飛行員從聽覺上能正確判斷出飛機的飛行狀態(tài)。音響效果的仿真主要有模擬式和數字式兩種，模擬式仿真音響適合于實時控制，數字式仿真音響逼真度高。本文依據飛機發(fā)動機的頻譜特性，設計了能夠實現(xiàn)單、雙轉子噪聲、噴氣噪聲的模擬電路；依據環(huán)境音響的特性，設計了能夠實現(xiàn)各種環(huán)境音響的多通道數字音響效果播放卡。該音響仿真系統(tǒng)可應用于螺旋漿式發(fā)動機聲及單、雙轉子的噴氣發(fā)動機聲的仿真，能仿真出各種機內操縱效果音響及機外摩擦、雷電等多種效果音響，還可開發(fā)用于艦船及陸地機動設備的音響效果仿真。

1 發(fā)動機音響的頻譜分析

為了對發(fā)動機的仿真音響進行實時控制，首先要對發(fā)動機的音響頻譜進行分析。如經過現(xiàn)場實地錄音、采集，殲六飛機發(fā)動機的噪聲頻譜如圖１所示。

通過頻譜分析儀對殲六飛機發(fā)動機的噪聲頻譜進行分析，它是由三種聲音組成，即渦輪聲、噴氣聲和進氣聲。渦輪聲是發(fā)動機渦輪轉子轉動過程中壓縮空氣時發(fā)出的尖叫聲，是由兩個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)動機轉速的函數。發(fā)動機從０～５５００ｒ／ｍｉｎ，渦輪聲的幅值是不斷提高的；從５５００ｒ／ｍｉｎ到額定轉速，幅值又是不斷下降，到８５００ｒ／ｍｉｎ以后，人耳基本上感覺不到渦輪聲了。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)動機轉速的函數，人耳的感覺是轟鳴聲。進氣聲可忽略。

2 硬件設計

依據飛機發(fā)動機的噪聲頻譜特點及聲音與發(fā)動機轉速的關系，設計了硬件電路。該系統(tǒng)由音響控制計算機、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字音響效果播放兩部分組成。圖２給出了教練八飛機仿真音響效果生成和播放卡結構示意圖。

2.1 音響效果生成電路

利用壓控振蕩器４０４６的振蕩頻率與數控電壓成線性比例關系的特性設計了生成渦輪聲的高低壓轉子電路。通過輸入相應的轉速數字信號，可產生不同頻率的渦輪聲信號（見圖３）。通過設置初始頻率及通過高低壓轉子幅值控制電路實時改變幅值，即可產生相應的高低壓轉子信號。

利用晶體二極管 ＰＮ結的白噪聲（熱噪聲、散彈噪聲）生成了噴氣發(fā)動機的噴氣噪聲。經過選擇與實驗，噴氣噪聲生成電路如圖４，依據輸入的油門位置和發(fā)動機功率的大小生成不同頻率的白噪聲，通過噴氣噪聲幅值控制電路實時控制幅值而生成的噴氣噪聲經過檢測，生成的噪聲波形與實際的噴氣噪聲波形非常相似。

2.2 多通道數字音響效果的播放

可將存于計算機中的數字音響信號還原成相應的模擬音響信號放大，經過多種聲音的切換、疊加后輸出音響信號而進行播放（如圖５所示）。該數字通道可對發(fā)動機啟動聲、發(fā)動機停車聲及環(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）進行仿真，這些聲音的原始音源是通過實地錄音采集或影音剪輯獲得。

2.3 數字音響和模擬音響的擬合與切換

為了避免與計算機已有的硬件產生沖突，設計了相應的跳線結構，隨時可通過跳線來改變其相應的地址。以下是實際選擇的一組地址。

３９０Ｈ 高壓轉子渦輪聲頻率

３９１Ｈ 高壓轉子渦輪聲幅值

３９２Ｈ 低壓轉子渦輪聲頻率

３９３Ｈ 低壓轉子渦輪聲幅值

３９４Ｈ 噴氣噪聲頻率

３９５Ｈ 噴氣噪聲幅值

３９６Ｈ － ３９ＢＨ 多路數字音源的直接通道

為了逼真地產生飛機發(fā)動機的音響聲，在發(fā)動機啟動和停車狀態(tài)，采用純數字音響；在發(fā)動機的其它工作狀態(tài)，采用模擬音響來實現(xiàn)實時控制，使發(fā)動機按照油門位置、轉子的轉速和發(fā)動機的功率產生逼真的實時音響。數字音響與模擬音響之間需要飛行主程序進行切換。

3 軟件設計

音響仿真系統(tǒng)的數學模型如下。

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為轉速、Ｙｍ為油門位置、ａ為基準值、ｃ為設定值、ｋ為比例因子、０．２１為油門基準值。

下面給出教練八飛機音響仿真系統(tǒng)的數學模型。

高壓轉子渦輪聲

Ｂ＝ｃ

Ｆ＝１５２．００＋０．０１２４３５１（Ｎ１－９０６０．０）

低壓轉子渦輪聲

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為高壓轉子轉速、Ｎ２為低壓轉子轉速。

音響仿真系統(tǒng)的軟件程序用 Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ 編寫，程序框圖如圖６所示，由Ｄｒｉｅｃｔ ｘ Ｓｏｕｎｄ 插播環(huán)境效果音響。如飛機左單輪接地時的音響效果仿真，背景為發(fā)動機聲（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帶左坡度，使飛機左機輪先接地，因而音響系統(tǒng)的左聲道實時播出機輪接地的摩擦聲。此時飛行員除通過視景系統(tǒng)目測外，還可用聽覺來判斷出飛機是左單輪先接地。