基于擴展現實的航空噪聲數據模擬系統開發

張青 蔣思毅 閆國華 楊曉軍

基金項目：天津市航空裝備安全性與適航技術創新中心開放基金資助（145300110304（6））

第一作者簡介：張青（1986-），女，碩士，講師。研究方向為民用航空器噪聲控制、航空發動機機隊管理及計算機仿真。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.002

摘? 要：該文是基于擴展現實技術提出的各種機型在靜態和起飛狀態的噪聲數據模擬系統。即在虛擬場景中實現各種機型的靜態試車和起飛程序，同時使用實際機型的噪聲記錄作為噪聲源，并使用頭戴顯示器以雙聲通道實現可聽化，呈現出噪聲數據的可聽化和在虛擬環境中的可視化。系統將使用經驗公式處理數據，合成起飛狀態的噪聲，協助噪聲適航審定程序進程更有效的進行，有利于相關部門根據對環境保護的要求，制定出航空噪聲的適航規章和控制標準。

關鍵詞：擴展現實；噪聲數據；雙耳通道；可聽化；可視化

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0009-04

Abstract： Based on the extended reality（XR） technology， this paper presents a noise data simulation system for all kinds of aircraft in static and take-off state. That is， the static test and take-off procedures of various models are realized in the virtual scene， while the noise record of the actual model is used as the noise source， and the head-mounted display is used to realize the audialization of the dual sound channel， which presents the audialization of noise data and visualization in the virtual environment. The system will use the empirical formula to process the data， synthesize the noise in the take-off state， and assist the noise airworthiness approval process to proceed more effectively， which is beneficial to the relevant departments according to the requirements of environmental protection， formulate airworthiness regulations and control standards for aviation noise.

Keywords： extended reality （XR）; noise data; binaural channel; audialization; visualization

對于乘坐飛機的乘客或者是機場附近的居民來說，噪聲一直以來都是困擾其生產、生活的一大難題。乘客在機艙內感受到的噪聲是多種多樣、組分復雜的[1]。為了對航空噪聲進行嚴格的管理和監督，在航空產品的設計、制造、生產、使用過程，相關部門需要根據對環境保護的要求，制定出航空噪聲的適航規章和控制標準[2]。發動機噪聲的傳統實驗價格十分昂貴，雖然可以通過耳機播放噪聲給聽者，但是這將受限于錄制的方向。并且觀測者通常希望如同在真實環境中一樣從視覺和聽覺上定位聲源。隨著虛擬現實、增強現實、混合現實的快速發展，以及5G通信技術數據傳輸速度快、使用成本低等優點，擴展現實XR技術受到前所未有的關注。可聽化包括預測虛擬空間及虛擬空間中聽者的響應，即在完成聲學響應預測的虛擬環境展示聲“播放”的過程，允許對虛擬空間進行聽者主觀評估與三維的聲音感知[3]。

1? 發動機噪聲雙耳可聽化模擬

針對飛機發動機的噪聲適航性試驗，傳統試驗方式是分別在靜態試驗場地、飛行試驗場地使用發動機或者等比例縮放模型進行發動機的噪聲實驗，不僅耗費大量資金、制作發動機模型的周期較長，而且制作精度無法還原真實發動機的尺寸設計特性，這會導致風扇進出口、壓氣機、燃燒室、噴流的噪聲測量值與真實發動機噪聲值有著較大偏差，后期改進尺寸設計也存在著較大的困難[4]。由于三維環境模擬技術允許測試者在視覺和聽覺上都沉浸在虛擬環境中，借助頭部跟蹤（實時測量聽者頭部的方位），可進行實時圖形渲染和雙耳模擬，與飛機發動機噪聲數據的結合可使得噪聲適航審定過程更高效、便利，如圖1所示。噪聲數據通過虛擬孿生發動機模型可實時反饋到計算機，在此基礎上分析發動機噪聲值可能帶來的影響，進而預測發動機未來的發展趨勢，支撐對真實發動機的運行決策，可在一定程度上解決試驗成本問題，協助新型航空發動機的研制，縮短研發時間。

首先，由于在進行航空噪聲的實際測量過程中會遇到許多困難和條件限制，人力和物力的投入都相當大，實驗人員可根據發動機不同部件相應的經驗或半經驗公式進行噪聲預估。民用航空多采用渦扇發動機作為飛機動力，其主要組成部件風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴都有相應的噪聲預測模塊供計算使用[5]。

其次，在噪聲適航合格審定過程中，實驗人員可根據CCAR-36部噪聲適航規章中的要求，結合不同機型的噪聲適航相關資料和限制條件，分別進行地面靜態噪聲、空中飛行噪聲試驗。現以靜態測試噪聲為例，根據具體的發動機尺寸、設計特性和噪聲預測算法計算發動機各部件在半圓域內（20～160°）不同轉速、角度的聲級，將預測得到的噪聲頻域數據利用快速傅里葉逆變換成進行噪聲可聽化。

最后，在搭建的虛擬試驗場景中，實驗人員進入到發動機靜態噪聲測試場景并通過穿戴設備（HTC Vive、Meta Quest Pro）進行交互，不僅可以近距離地在發動機旁進行測試，還不會受到發動機吸入區和噴流區的影響。再在計算出的飛行航跡上映射出起飛噪聲源，模擬起飛過程中噪聲的傳播路徑，開發噪聲修正算法，將模擬起飛噪聲修正為真實條件下的數據[6]。

2? 飛機發動機噪聲可聽、可視化系統實現技術方法

2.1? 開發平臺介紹

Unity3D可以實現高度個性化的定制和實時渲染，包括光照、著色、陰影等。此平臺能實現各種功能，如3D 模型導入、動畫渲染、物理碰撞、攝像機設置和音頻播放等，可聯接演化出角色運動狀態機、AI 人工智能、大量粒子系統處理等技術，從而支持各種多樣化動效和特效化場景等用戶自定義的標準。在發動機靜態噪聲預測方面，將Unity 3D平臺和HTC Vive相結合，通過搭建發動機和傳聲器陣列的虛擬仿真系統，根據發動機尺寸模型的相關設計特征和部件噪聲預測的相關模型以及算法，進行某一轉速下或某一方向角度下的可聽化方法，更加真實地展現發動機設計制造后端驗證計算的環節。

2.2? 開發平臺穿戴設備介紹

HTC Vive頭戴式顯示器支持Steam VR平臺，手持控制手柄是HTC Vive的另外一個重要的組件，此組件可讓使用者在虛擬現實世界中進行實時性的交互，通過控制手柄在虛擬現實環境中進行操作，比如抓取物體、射擊等。此交互可讓使用者深入地體驗虛擬現實環境，增強身臨其境的感覺[7]。基站可以讓使用者在虛擬現實環境中自由移動，不用擔心碰到障礙物或者墻體。HTC Vive利用360°追蹤、高精度手柄控制器等技術，讓用戶在虛擬世界中自由行動和交互，呈現更為沉浸的體驗。Vive設備具有高清晰度的顯示屏、準確的頭部追蹤、創新的手柄控制器等功能，HTC Vive等虛擬現實頭顯具有高度的交互性和沉浸感。

在此項目中需要 HTC 的目視功能，在 Unity 編輯器中，在左上方的菜單欄點擊進入“Edit”菜單，在下拉選項中選擇“Project Settings”，然后選擇“Player”。還需確保啟用Virtual Reality Support及將焦點設置為場景視圖或層次結構面板，雙擊"SteamVR Camera"預設。在場景中創建一個攝像機，調整好位置和角度并且將相應腳本控制的像機替換掉，用于顯示HTC Vive用戶視圖。點擊運行就可以通過HTC設備來查看到模型。

2.3? UI交互開關

UI開關按鈕是為了后續的控制手柄交互，在Unity的漫游場景中，利用控制手柄指向并點擊按鈕來實現播放發動機噪聲的音頻文件。首先需要在場景中創建一個畫布（canvas），在渲染模式選項改為世界空間后即可移動到傳聲器陣列場景當中。在該畫布內創建5個按鈕，并分別命名為風扇前傳、風扇后傳、燃燒室、噴氣和發動機整機，接著設置好按鈕，同時設立一個名為傳聲器的總按鈕，點擊此按鈕會顯示5個子按鈕，在子按鈕的Inspector中設置11個點擊事件。第一個事件是將音頻文件導入，其余10個事件則將音頻組件按順序拖入事件中，并選擇對應GameObject中的SetActive功能。這樣，通過點擊90度傳聲器按鈕即可顯示5個子按鈕，選擇其中一個按鈕會顯示轉速按鈕，并按下后播放相應的噪聲音頻。通過UI菜單點擊效果和觸發事件設置，可以根據不同角度的傳聲器需求，設置不同的UI點擊菜單，以播放由不同傳聲器監測到的噪聲音頻。

在飛行噪聲實驗場景中創建一個畫布，并將其渲染模式設置為世界空間。然后在該畫布內添加5個按鈕，分別命名為ARJ21、翼身融合飛機、B737、AS350和X59作為機型選擇按鈕。在每個機型按鈕下，再創建以下子物體和子按鈕，在子按鈕的Inspector面板中設置點擊事件，每個按鈕事件均選擇相應的GameObject中的SetActive功能。當按下相應的按鈕時，即可播放對應的噪聲音頻，從而實現飛行噪聲的可聽化效果。通過這種方式，不僅可以選擇不同機型，還可以細分到發動機各具體部件，播放與其相關的噪聲，從而更直觀地了解不同部件的噪聲特性。

3? 發動機噪聲實時雙耳仿真

發動機靜態噪聲預測仿真項目不僅可以節省試驗場地和實驗成本，還能讓使用者身臨其境地感受發動機靜態噪聲預測的實驗過程。在此次仿真系統搭建過程中，首先需要Sharp 3D建模軟件對傳聲器和傳聲器陣列，以及相應的角度和距離標識，將模型導入Unity 3D中進行場景布置，新建UI開關控制播放音頻，然后利用Matlab軟件結合發動機噪聲部件噪聲預測算法算出各部件在個角度下相應的聲壓級，導出模擬好的噪聲音頻文件，Unity 3D中下載并導入SteamVR Plugin、VIVE Input Utility和VRTK的資源包，編輯相應的腳本，最后用HTC Vive的手持控制手柄交互點擊觸發發動機在某一轉速下的噪聲并播放。為了實現上述功能，需要借助Unity 3D的UI按鈕，音頻播放組件及Matlab軟件進行算法運算。經過系統性的學習，最終確定對主要場景進行制作。本系統需要將傳聲器陣列以及實驗平臺放置在一個標準跑道上，該標準跑道作為HTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設備漫游場景的主要范圍。

在搭建虛擬環境時，需要將標準跑道的.FBX格式文件導入Unity 3D的Assets中，導入后，將模型拖入Unity場景中會發現跑道模型沒有顯示該有的材質，所以需要對導入文件進行一些初始的設置[8]。在文件的導入設置中，將材質創建模式改為Standard（legacy）后，會出現一個SRGB反照率顏色勾選框，點擊勾選，完成標準跑道的導入設置，需要把跑道文件中包含材質貼圖的.fbm文件的所有JPG格式的圖片導入到Materials文件中，刷新Assets，再將模型拖入到Unity場景中，模型的材質貼圖問題就解決了，跑道顯示正確的材質顏色。

3.1? 基于快速傅里葉逆變換的噪聲音頻合成

本文基于MATLAB函數庫中的快速傅里葉逆變換函數（ifft）、audiowrite音頻寫入函數及sound矩陣聲音播放函數，實現原始噪聲數據的可聽化[7]。在Matlab中，需要從Excel讀取不同轉速下不同部件的SPL，把50～10 000這列的數組賦予x，將不同角度的這列數組賦予y。對讀取賦予的數值進行插值：定義xx為50～25 000之間等距的25 000個點，定義yy為取得各點幅值，使用（x，y，xx）3條樣條處理原有曲線。生成一個相位隨機數組，并將插值處理過的數組與相位相乘：定義phase為1～25 000均勻分布的數字組成的10×1列向量，再乘以2π。將數組yy與angle按元素相乘，并在yyy中返回結果。對乘以相位的隨機數組進行傅立葉逆變換，生成一個時間序列，取得時域數據的實數部分。接著利用audiowrite函數將時間序列輸出為音頻文件，采用頻率為8 129，每個樣本采用32位存儲。用audioread函數讀取該音頻文件后使用sound函數將音頻文件進行播放。

Matlab導出的.wav音頻文件，將其導入Unity 3D項目的Assets中，.wav文件不需要額外的導入設置。然后將CF34在多角度、不同轉速下的音頻文件拖入到開關按鈕點擊事件預留的位置上，進入漫游場景點擊相應的開關按鈕即可播放出相應的噪聲音頻，具體流程如圖2所示。

圖2? 數據可聽化過程的流程圖

3.2? 交互功能設計

傳聲器陣列所有場景的搭建工作和按鈕制作后，需要結合HHTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設備進行漫游場景的交互，所以使用到的Unity插件為VRTK，需要從Unity的Assets Store里下載并導入。在傳聲器陣列以及跑道的場景搭建VRTK環境。將VRTK_Script其中的CameraRig移動至UI按鈕開關前，以便運行時直接與UI按鈕開關進行交互。在場景中的黃色跑道對象中需要掛載一個名為“Box”的組件，作為漫游場景的參考面，Box盡量高于黃色跑道并且范圍盡可能大，若漫游移動范圍超出Box，漫游視角將無限掉下參考面。在VRTK_SDK Manager中將控制手柄對象拖入到相應的位置上，勾選上Auto Manage、Auto Manage VR Settings和Auto Load。

調試好VRTK的組件后，配置左右手控制手柄的射線。在場景中名為“VRTK_Script”的對象中有左右控制手柄的對象。在左右控制手柄對象中分別添加名為“VRTK_ControllerEvents”的組件，該組件用來獲取控制手柄上的按鈕;添加名為“VRTK_Pointer”的組件，該組件可以讓控制手柄發出指向性的射線;添加名為“VRTK_StraightPointRenderer”的組件，該組件可以讓手柄發出的射線為直線，并選擇射線發出和觸碰的顏色;添加名為“VRTK_InteractTouch”的組件，該組件可以識別交互的邊界及觸發方式，最后添加名為“VRTK_UIPointer”的組件，該組件可以讓射線與UI界面進行交互，用射線指向按鈕，并用扳機激活按鈕相應的功能。

配置好以上功能后，接下來完成UI交互功能。在LeftControllerScriptAliast和RightControllerScriptAlias中的激活按鈕改為Trigger Press。接著在Canvas中添加名為“VRTK_UI Canvas”的組件，控制手柄發出的射線就能和設置的UI按鈕開關進行交互了。在添加一系列VRTK組件和組件之間的掛載聯系后，場景漫游的交互便可以實現了。戴上HTC頭盔及連接控制手柄，在Unity場景漫游中移動到按鈕開關面前，扣動操控手柄的扳機實現點擊播放CF34的Fan Inlet、Fan Exhaust、Combustion、Jet及Total在多個轉速下的噪聲音頻。

4? 結束語

飛機發動機噪聲數據沉浸式空間可聽化擴展現實系統研究對發動機靜態、動態噪聲進行預測，具有良好的前景和發展空間。基于HTC Vive、Hololens 2、Meta Quest pro設備的UI交互和場景漫游功能，通過預測算法將噪聲數據轉化為可以播放的噪聲音頻文件，模擬發動機地面靜態噪聲測試，并應用某一轉速下或某一方向角度下的可聽化方法，將有助于發動機設計與制造過程中“真實”進行測試，對發動機的適航性能加以驗證，加快其研發與改進。

參考文獻：

[1] 李冉.我國航空器噪聲污染防治管理優化研究[J].環境影響評價，2023，45（4）：14-18.

[2] 王超，楊紫霞，崔春梅.航空噪聲預測及其影響評價方法研究[J].噪聲與振動控制，2023，43（2）：230-236.

[3] 向錦鵬，蔣思毅，許永嘉，等.Hololens混合現實Leap發動機誘導維修系統開發[J].科技資訊，2022，20（2）：35-38.

[4] 沛清，耿欣，胡天翔，等.現代航空螺旋槳氣動、噪聲與優化設計的研究進展[J].空氣動力學學報，2023，41（10）：62-78，61.

[5] 閆國華，王璽臻.機翼屏蔽對航空發動機噪聲預測的影響分析[J].聲學技術，2022，41（1）：74-81.

[6] 李存，陳志龍.航空發動機試車臺噪聲傳播特性及影響因素分析研究[J].內燃機與配件，2022（2）：42-44.

[7] 蔣思毅，許永嘉，徐振雄，等.飛機發動機噪聲數據沉浸式空間可聽化擴展現實系統研究[J].電子元器件與信息技術，2023，7（2）：101-104.

[8] 汪玲.VR/AR技術及其應用研究綜述[J].中國教育技術裝備，2023（16）：1-4.