3D飞行音效仿真系统设计技术研究
3D飞行音效仿真系统设计技术研究
Research on the Design of 3D Flight Sound Simulation System
作者: 李航中航工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089通讯作者. Tel.: 029-86832251 E-mail: linkheaven@foxmail.com李航（1985-）男，山西临汾人，中航工业一飞院飞控液压设计研究所工程师。毕业于北京航空航天大学（硕士），主要从事飞行仿真与试验验证工作。通信地址：陕西省西安市72号信箱309分箱 朱江中航工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089朱江（1969-），男，陕西大荔人，中航工业一飞院飞控液压设计研究所研究员。毕业于西北工业大学（硕士），研究方向为虚拟现实与系统仿真。 马力中航工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089马力(1980-)，男，河南太康人，中航工业一飞院飞控液压设计研究所工程师。毕业于南京航空航天大学，主要从事飞行仿真系统设计与试验验证工作。AVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,ChinaCorresponding author. Tel. : 029-86832251 E-mail: linkheaven@foxmail.comAVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,ChinaAVIC The First Aircraft Institute, Xi’an 710089,China
Author: LI Hang ZHU Jiang MA Li
关键词：3D飞行音效;工程模拟器;声音仿真
Keywords：3D flight sound;engineering simulation;sound simulation
摘要：针对3D飞行音效仿真系统的特点与系统需求，提出了3D飞行音效仿真系统的详细设计方案，从硬件设计与软件设计两个方面详述了此方案，重点对3D飞行音效仿真技术实现原理与实现方法进行了阐述。通过测试，证明该系统满足了任务需求、优化了系统架构，具有很强的移植性和扩展性。
Abstract：Described a detail design blue print according to characteristics and requirements of 3D flight sound simulation system, and described this blue print on two aspects including hardware design and software design. Explained the theory of 3D flight sound simulation and the method of the system design especially. It was proved that the system had met the mission demands. The system framework was optimized after being tested. It is good at transplanting and expanding.
引用格式：LI Hang，ZHU Jiang，MA Li. Research on the design of 3D flight sound simulation system[J].Aircraft Engineering，2014(04):48-52. 李航，朱江，马力.3D飞行音效仿真系统设计技术研究[J].飞机工程，2014(04):48-52.
在飞行模拟器虚拟飞行环境中,视觉提供给人的信息量最大,约占70%,其次是听觉信息,约占15%[1]，作为仅次于视觉的第二传感通道, 逼真的听觉不仅可以为视景实时伴音, 还能独立为用户提供重要的信息, 是增强用户对虚拟环境体验感的一种重要手段。
逼真的3D飞行音效能使驾驶员从虚拟声音中准确地掌握飞机与周围环境的状态，在虚拟飞行环境中感受到接近真实世界的声响效果。为了实现这样的效果，就应该采用3D音效技术并从硬件与软件两个方面对飞行3D飞行音效系统进行设计，力求达到3D 飞行音效与实时变化的视景相一致, 由此产生视觉和听觉叠加的同步效应营造出更加逼真的虚拟飞行环境。
1 3D飞行音效系统需求分析
1.1 系统功能需求
系统应具有如下功能：
(1)仿真动力装置声音，例如发动机启动、停止、反推声等；
(2)仿真空气动力声音，例如气流噪声、起落架、襟翼失速等引起的噪声；
(3)仿真起落架声音，起落架上锁、开锁、着陆接地、轮胎爆破产生的声音；
(4)仿真跑道效应声音，飞机的主轮、前轮触地时发出的声音；
(5)仿真大气效应声音，例如雨声、风声、雷声等；
(6)仿真其他声音，例如飞机摔毁、武器效应产生的声音等；
(7)话音告警使用语言将告警信息直接通报给飞行员，例如发动机火警、发动机故障、起落架未放下等；
(8)音调告警选用不同频率、不同间断速率的各种音调将不同告警通报给飞行员，例如飞机失速、高度过低等[2]。
1.2 系统功能需求
本系统应满足以下性能要求：
(1)各种模拟声音的频率和幅度与真实飞机接近；
(2)扬声器的分布使得试飞员和工程设计人员感觉发声部位和方向与真实飞机一样；
(3)各种模拟声音尽量封闭在座舱内，不干扰外部环境；
(4)当飞机冻结或模拟坠毁时，模拟音响自动消失；
(5)控制台上设置音量开关并可以控制音量。
2 3D飞行音效仿真的特征
虚拟现实系统中的3D音效可使听者在虚拟场景中准确判断出声源的精确位置，将符合人们在真实环境中听觉方式的声音系统称为3D音效仿真系统。
图1 3D飞行音效仿真系统架构 Fig.1 The framework of 3D flight sound simulation system
3D飞行音效仿真系统最核心的技术是3D虚拟声音定位技术，它的特征是[3]：
(1)全向3D定位，能在3D虚拟空间中把实际声音信号定位到特定虚拟专用源的能力；
(2)3D实时跟踪，在3D虚拟空间中实时跟踪虚拟声源位置变化或景象变化的能力；
(3)沉浸感和交互性，指加入3D音效后，能使用户产生身临其境的感觉，有助于增强临场效果。
3 系统总体架构设计
3D飞行音效仿真系统主要用来模拟驾驶舱内人员所能听到的重要环境声音和告警音。音效仿真的主要工作流程为声音仿真计算机接收来自控制台的控制信息与飞行包的飞行状态信息，通过声音仿真软件处理，从音频数据库中提取相应的音频源进行播放，生成的各种音频信号由专业声卡进行处理后分送至音频矩阵不同的声道，驱动分布在模拟器舱内不同位置的扬声器，产生与真实飞行环境近似的座舱环境声音和与真实告警逻辑相同的告警音。整个系统由计算机、声卡、音频矩阵和音箱等构成。其系统架构如图1所示。
3.1 硬件设计
3D飞行音效仿真系统的硬件由配有专业声卡的计算机、音频矩阵和音箱组成。硬件架构如图2所示。
通过声音仿真计算机产生的告警音与飞行环境音效分别通过两块独立的声卡经音频线传输至音频矩阵的输入接口，经过A/D转换模块将音频模拟信号转换为数字信号，由DSP数字处理芯片进行压缩、限幅、滤波、均衡、噪声门等处理，经过音频输出接口再将数字信号转换放大为模拟信号，将声音信号传至模拟器座舱的音箱设备。同时，声音仿真计算机作为上位机通过以太网与音频矩阵下位机进行通讯，完成对音频矩阵的配置。
图2 3D飞行音效仿真系统的硬件架构 Fig.2 Hardware framework of 3D flight sound simulation system
3.2 软件设计
3.2.1 技术原理
3D飞行音效仿真系统软件利用DirectSound技术，实现了声音的实时合成与回放，并对声音的3D效果进行了模拟，真实地重现了逼真的声音效果。声音的输出和采集利用DirectSound进行管理，通过新的模型来播放捕获的数字声音采样源及合成的采样源。DirectSound通过硬件抽象层（HAL）来访问音频设备，自动利用音频硬件的加速功能，包括硬件合成、硬件声音缓冲等。DirectSound会自动使用软件来仿真当前硬件不具备的功能。图3给出了DirectSound的工作原理。
图3 DirectSound的工作原理 Fig.3 DirectSound working principle
3.2.2 实现方法
影响3D声音效果的主要因素有：距离因素、方位因素、运动因素和环境因素。基于DirectSound 建立3D音效的方法是[2]：
（1）创建声音设备对象；
（2）创建主缓冲区对象，通过主缓冲区对象获取3D聆听者对象；
（3）创建2D声音缓冲区对象；
（4）从WAV文件或资源读取声音数据到私有缓冲区；
（5）将数据放入2D声音缓冲区；
（6）通过2D缓冲区对象获取3D声音缓冲区对象，在获取3D声音缓冲区对象时，必须制定DSBCAPS_CTRL3D标志和空间化声音的3D算法；
（7）为3D声音缓冲区对象和聆听者对象设置合适的相关属性值；
（8）播放3D声音缓冲区对象。
对于3D飞行音效仿真系统中声音的模拟，首先要录制各种飞行状态下的声音源，收集整理建立为数据库。仿真时根据飞机的不同状态调取数据库中获取符合条件的声音文件并读入二级声音缓冲区。对于目标声音（如导弹运行过程时发出的声音）的模拟，由于相关因素较多，应为每一个在观察范围内的目标声音建立一个二级3D声音缓冲区。仿真过程中根据飞机的速度、位置的变化、目标的运动状态和姿态实时改变二级3D声音缓冲区的参数、控制目标声音的多普勒效应、声音强弱、频率等等，从而实现声音的精确定位，使仿真声音丰富、逼真。
图4为利用DirectSound进行声音实时仿真的具体工作流程。
图4 基于DirectSound的声音实时仿真流程图 Fig.4 The flow chart of sound real time simulation
3.2.3 软件模块组成
3D飞行音效仿真系统软件的模块组成如图5所示，软件包含了动力音效仿真模块、飞行环境音效仿真模块、告警条件判断与播放模块、以太网通讯模块、混音模块和多声卡输出控制模块。
图5 3D飞行音效仿真软件模块组成 Fig.5 Module structure of 3D flight sound simulation software
（1）动力音效仿真模块包括以下部分:发动机启动、发动机噪音、发动机关机声音，需要两个独立声道对发动机声音进行模拟，发动机启动,发动机噪音和关机分别使用一个声道，一个典型起落中，发动机的声音模拟流程如图6所示。
图6 发动机声音模拟流程 Fig.6 Flow chart of engine sound simulation
（2）飞行环境音效模块主要完成对襟翼收放音效、起落架收放与接地音效、跑道效应音效、大气效应音效、以及飞机摔毁、武器效应产生的音效仿真；
（3）告警条件判断与播放模块的基本原理如图7所示，通过将飞行仿真计算机传来的飞行包运行参数与告警条件进行对比，判断是否产生告警，若产生告警，通过调取告警配置文件，读取告警的等级、类型与告警次数，再通过告警音素材库调取相应的告警音进入告警队列，由多声卡输出控制模块将告警音分配至相应声卡，经音频矩阵，传至告警音箱，完成告警；
图7 告警条件判断与播放模块原理 Fig.7 Warning conditions judging and playing module principle
（4）以太网通讯模块主要完成与飞行仿真计算机与声音仿真计算机的数据通讯；
（5）混音模块主要完成多种飞行环境下环境音的合成；
（6）多声卡输出控制模块主要完成对告警音与飞行环境音效的多声卡输出。
3.2.4 交联关系
飞行仿真系统发送至3D飞行音效仿真系统的数据主要包括了飞机校正空速、发动机起动与关闭、发动机转速、襟翼状态、起落架状态、飞机距地面高度、发动机火警、发动机故障、雨刷、起落架触地、轮胎爆炸等相关飞行参数信息。
综合管理控制系统发送至3D飞行音效仿真系统的数据主要包括了背景音开关、背景音音量调节、告警音开关与音量调节、风雨雷等天气状态等指令信息。
3.3 应用测试结果
利用此方法设计的3D飞行音效仿真系统已被成功应用于某型号训练模拟器中，并通过了测试。在测试过程中，飞行员依照正常飞行程序对飞机进行操作，3D飞行音效仿真系统根据飞行员的操作分别模拟出了飞机发动机起动，加减速，起落架收起、放下，以及襟翼收起与放下，以及飞机坠毁，近地告警等声音，飞行员通过调节不同发动机至不同的油门角度，可通过声音对各台发动机运行状况做出准确判断，同时，通过综合管理控制系统对大气环境的设置实现了对飞行环境音的模拟，经过验证，整个系统达到了试验测试要求。
4 结束语
3D飞行音效仿真系统功能多样，将3D飞行环境音效仿真、飞行告警条件判断与播放有机地融为一体，集成化程度高，基于DirectSound的3D音效回放技术使飞行音效音质逼真，方位精确。多项技术的应用保证了声音仿真效果逼真，告警准确。经多轮品模试验任务验证，证明系统稳定可靠。此外，此系统还具有很好的移植性，目前已被应用于多种型号模拟器的开发之中，圆满完成了各项试验任务。
参考文献
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[3] 任剑洪.浅析3D虚拟声音的实现[J]. 硅谷，2010(1)：40-41.
REN Jianhong. Analysis on 3D virtual sound implementation[J].Silicon Valley,2010(1):40-41.（in Chinese）