多通道數(shù)字模擬混合音響仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要：采用數(shù)字與模擬混合控制技術(shù),利用多種聲源的組合,實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)音響及環(huán)境音響的仿真。
關(guān)鍵詞：音響 噪聲 頻率 幅值
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飛行模擬器在整個(gè)飛行過程中不僅給飛行員提供逼真的視覺、力感和動(dòng)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(jī)的飛行狀態(tài)。音響效果的仿真主要有模擬式和數(shù)字式兩種,模擬式仿真音響適合于實(shí)時(shí)控制,數(shù)字式仿真音響逼真度高。本文依據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的頻譜特性,設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)單、雙轉(zhuǎn)子噪聲、噴氣噪聲的模擬電路;依據(jù)環(huán)境音響的特性,設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)各種環(huán)境音響的多通道數(shù)字音響效果播放卡。該音響仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于螺旋漿式發(fā)動(dòng)機(jī)聲及單、雙轉(zhuǎn)子的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)聲的仿真,能仿真出各種機(jī)內(nèi)操縱效果音響及機(jī)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(jī)動(dòng)設(shè)備的音響效果仿真。
1 發(fā)動(dòng)機(jī)音響的頻譜分析
為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真音響進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,首先要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的音響頻譜進(jìn)行分析。如經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地錄音、采集,殲六飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜如圖１所示。
通過頻譜分析儀對(duì)殲六飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜進(jìn)行分析,它是由三種聲音組成,即渦輪聲、噴氣聲和進(jìn)氣聲。渦輪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中壓縮空氣時(shí)發(fā)出的尖叫聲,是由兩個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)從０～５５００ｒ／ｍｉｎ,渦輪聲的幅值是不斷提高的;從５５００ｒ／ｍｉｎ到額定轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù),人耳的感覺是轟鳴聲。進(jìn)氣聲可忽略。
2 硬件設(shè)計(jì)
依據(jù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲頻譜特點(diǎn)及聲音與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系,設(shè)計(jì)了硬件電路。該系統(tǒng)由音響控制計(jì)算機(jī)、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(yáng)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(shù)字音響效果播放兩部分組成。圖２給出了教練八飛機(jī)仿真音響效果生成和播放卡結(jié)構(gòu)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(shù)控電壓成線性比例關(guān)系的特性設(shè)計(jì)了生成渦輪聲的高低壓轉(zhuǎn)子電路。通過輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào),可產(chǎn)生不同頻率的渦輪聲信號(hào)（見圖３）。通過設(shè)置初始頻率及通過高低壓轉(zhuǎn)子幅值控制電路實(shí)時(shí)改變幅值,即可產(chǎn)生相應(yīng)的高低壓轉(zhuǎn)子信號(hào)。
利用晶體二極管 ＰＮ結(jié)的白噪聲（熱噪聲、散彈噪聲）生成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣噪聲。經(jīng)過選擇與實(shí)驗(yàn),噴氣噪聲生成電路如圖４,依據(jù)輸入的油門位置和發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)控制幅值而生成的噴氣噪聲經(jīng)過檢測(cè),生成的噪聲波形與實(shí)際的噴氣噪聲波形非常相似。
2.2 多通道數(shù)字音響效果的播放
可將存于計(jì)算機(jī)中的數(shù)字音響信號(hào)還原成相應(yīng)的模擬音響信號(hào)放大,經(jīng)過多種聲音的切換、疊加后輸出音響信號(hào)而進(jìn)行播放（如圖５所示）。該數(shù)字通道可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)聲、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行仿真,這些聲音的原始音源是通過實(shí)地錄音采集或影音剪輯獲得。
