飛行模擬器聲音模擬系統技術研究

摘要：飛行模擬器能夠復現飛行器及空中環境，并為裝備操作人員提供使用模擬，從而有效輔助飛行員進行訓練，加速裝備效能發揮。聲音模擬系統作為飛行模擬器的重要系統之一，能夠為飛行員提供聲音仿真，創造逼真的環境感受。文章以飛行模擬器中聲音模擬系統為研究對象，通過分析聲音模擬系統在實際訓練中的需求，構建了聲音模擬系統的功能結構及特性；并通過對聲音環境進行梳理，明確了聲音模擬系統的研究內容。最后結合國內外聲音仿真技術的發展，梳理了聲音模擬系統的發展路徑。通過聲音模擬系統，能夠在聽覺角度使飛行模擬器發揮更大作用。

關鍵詞：飛行模擬器；聲音仿真；數字仿真

中圖分類號：V216.8 文獻標志碼：A

0 引言

隨著現代裝備的不斷發展以及戰場態勢的不斷變化，對裝備操作人員提出了更高的要求。飛行模擬器作為一種對飛行器進行模擬的設備，在民航、軍事領域受到越來越多的關注。在廣義方面，飛行模擬器的可模擬范圍包括飛機、導彈、衛星、宇宙飛船等一切可飛行裝置；在狹義方面，飛行模擬器可定義為用來模擬飛行器飛行且結構較復雜、功能較多的裝置。飛行模擬器的不斷發展，為促進訓練效果提升、提高操作人員訓練水平具有重要意義。

飛行模擬器通常由模擬座艙、運動系統、視景/聲音系統、計算機系統和教員控制臺5部分組成［1］。最早的飛行模擬器面世于20世紀20年代末，其發展歷程從最初的機械式發展為電子式，直至當代廣泛使用的數字式模擬器［2］。現代的飛行模擬器綜合運用計算機、電氣、機械、光學等各領域先進技術，可以使操作人員獲得最接近現實的使用體驗。相比于傳統的真機訓練，飛行模擬器具備訓練維護成本低、安全性可靠性高、訓練不受場地及天氣等環境因素約束、可以自由對各種極端條件進行模擬以及場景可重復、可對同一條件進行多次訓練的優點［3］。基于此，飛行模擬器能夠最大限度為操作人員提供地面訓練條件，保障飛行訓練有序開展。

在飛行模擬器中，操作人員主要通過視景模擬系統和聲音模擬系統分別獲取視覺及聽覺信息。聽覺是人體中極敏感的一種感覺，是飛行員感知環境態勢的重要因素之一［4］。一套優秀的聲音模擬系統是飛行模擬器中不可或缺的一部分，能夠為飛行員提供飛行操作中所感受的駕駛艙聲音。聲音模擬系統的主要作用是結合視景仿真系統，為飛行員提供逼真、沉浸的視聽感受，幫助飛行員從聽覺上正確地判斷飛機的飛行狀態，從而實現對飛機操作的實時仿真。

1 聲音模擬系統功能分析

目前，國外先進的飛行模擬器中，聲音模擬系統通常采用聲音的實時生成技術，因此對聲音的定位與空間化、距離感、聲源的瞬態和運動特性（如聲音的多普勒效應、聲音的疊加和同步等）表現得較為真實［5］。國內關于聲音模擬系統的研究起步較晚，模擬器中的聲音模擬系統都是簡單地模擬飛行器運行時的環境聲音，比如一些飛行模擬器僅是一種簡單的聲音播放，雖然具有程序控制功能，但是就聲音本質而言，模擬效果單調，缺乏真實感。模擬聲音不能隨環境變化而變化，不具備特殊音效，無法適應部分場景的特殊需求。也有部分模擬器可以提取聲音的頻譜信息、響度信息等要素，通過處理生成所需聲音，可以很好地實現聲音的同步疊加與距離感，但在聲音方向性方面的技術實現還有所欠缺，有待進一步提高。

通過飛行模擬器進行日常訓練的目的是培養飛行員的駕駛能力，從而豐富飛行員的駕駛經驗。因此，飛行模擬器的聲音模擬系統應當以真實的飛行操作為主體導向，便于教員與飛行員之間的相互溝通，并方便使用、維護的全過程管理，具有較好的擴展性和可維護性［6］。通過對國內外聲音模擬系統進行梳理分析，并結合實際使用需求，聲音模擬系統應當具備如下功能。

（1）播放聲音功能。播放聲音是聲音模擬系統最基本的功能，通過有效的聲音仿真，可以增加模擬器的逼真度，增強使用者的沉浸感。

（2）數據接收功能。聲音模擬系統是飛行模擬器的一部分，在實際使用中，聲音模擬系統必須與其他系統協調合作，才能完成整體的模擬指令。

（3）混音功能。在真實的飛行過程中，聲場環境極為復雜，包含來自多個設備、多個場景的聲音。因此在播放模擬聲音時，需要利用混音功能將不同的聲音在同一聲道中播出。

（4）實時通信功能。通過實時通信功能，飛行員在模擬器中訓練時，能夠與教練員進行實時的溝通交流。

隨著仿真技術的不斷發展，為使聲音模擬系統在使用中更逼近真實飛行，還需滿足以下特性：

（1）全面性。飛行員在實際駕駛時，遇到的外界環境以及飛行狀態隨機多樣，因此需要飛行模擬器能夠提供各種情況下的聲音響應。例如遭遇雷雨天氣，若飛機平臺自身噪聲較小，此時聲音模擬系統應能模擬雷聲、雨聲及風聲；若飛機平臺噪聲性能更加優越，則對模擬器有了更高的要求，此時聲音模擬系統應能體現出雨滴碰撞金屬機身、玻璃窗的聲音等［7］。綜上所述，飛行模擬器的全面性越好、能模擬的場景越多，越能夠體現細節效果。

（2）真實性。真實性確保了聲音模擬系統所提供的聲音應當清晰且真實準確，可以令操作人員準確地辨識聲音種類。在載機飛行過程中，飛行員需要獲取海量信息。若僅依賴眼睛觀察獲取儀表盤的信息、環境信息和任務目標信息具有較高難度，還需要結合聽覺信息，完成對環境態勢的綜合判斷。例如在實際訓練過程中，飛行人員通過引擎聲、氣流聲來獲得飛機自身的狀態信息，或通過氣流聲、多普勒效應等分析判斷敵機及導彈的位置及遠近。因此，聲音模擬系統的真實性，能夠確保操作人員準確掌握實際飛行中的各種聲音。

（3）方向準確性。方向準確性反映了聲音模擬系統中不同聲音、聲源位置與真實情況的符合程度。如圖1所示，不同方向的聲源會對人耳產生不同的聽覺感受。在實際訓練過程中，應當結合裝備特征，準確反映聲源信息。比如針對戰斗機，其起落架聲音應源自下方；針對直升機，其螺旋槳聲音應源自飛行員后側上方；針對運輸機，其引擎聲應源自飛機左右兩側。如果模擬的聲音方向不準確，會讓飛行員錯誤判斷形勢，無法正確掌握飛行信息，從而降低模擬的真實性，降低訓練效果。

（4）運行穩定性。飛行模擬器聲音模擬系統應能夠穩定運行，避免因程序優化問題、硬件問題、兼容性問題等各方面因素影響模擬器正常運行，從而影響操作人員訓練。

（5）響應迅速性。飛行模擬器聲音模擬系統應當流暢運行，對各種信號的響應延遲應迅速靈敏。在真實飛行過程中，飛行器自身具備極大的速度，這就導致飛行員在飛行過程中遇到各種情況時，只有極短的反應時間。如果聲音模擬系統對信號的響應時間過長，將會導致飛行員對突發情況反應不及時，嚴重影響操作人員的訓練效果。

2 聲音模擬分析

2.1 聲音類型及特點分析

為了讓聲音模擬系統能夠全面地模擬各種聲音，應結合飛機平臺特點，對飛行過程時產生的各種聲音進行分類，并按類別及特點進行仿真。通過統計分析飛機平臺聲音數據，飛機實際飛行時的聲音種類過于繁多，如果在模擬過程中完全復現所有聲音，可能受到硬件限制（CPU、聲卡無法滿足性能需求）及聲特性（聲音反射、混響）限制。因此，需要對各種聲音進行分類簡化［8］。按照循環特點，可以將載機平臺聲音分為以下循環類型。

（1）單次型。此類型聲音可直接播放，如飛機起落架收上、放下聲以及地面通話聲等。

（2）單次循環型。此類型聲音可明顯分成幾段，然后循環播放，如飛機警報聲等。

（3）純循環型。此類型聲音循環無變化，如外部環境中的雷聲、雨聲以及座艙內電子儀器的運作聲等。

（4）循環改變音量型。此類型聲音與循環型近似相同，但在播放時需要改變聲音的音量，如飛機外風的聲音等。

（5）循環改變頻率型。此類型聲音與循環型近似相同，但在播放時需要改變聲音的頻率，如飛機輪胎與跑道的摩擦聲等。

（6）循環改變音量、頻率型。此類型聲音需要隨飛行參數的變化，相應改變聲音的音調和音量，如飛機發動機的轉子聲、進氣排氣聲等。

2.2 聲音模擬技術分析

隨著音頻技術的發展，聲音模擬技術從模擬頻率合成技術發展至數字音頻技術。隨著音頻軟硬件技術的不斷發展，聲音仿真技術也隨之進步。

2.2.1 模擬頻率合成技術（硬件技術）

在聲音模擬技術發展的初期，由于不具備開發音頻軟件的條件，基本只能采用模擬頻率合成的方法，且僅通過硬件方式實現。應用過程中，首先要采集所需要的聲音，對其進行分析后取得頻譜值，然后以頻譜值為約束條件對諧波發生器產生的頻率和幅值進行控制，最后再用濾波器和混頻器進行處理，得到合成好的聲音［9］。如圖2所示為連續聲音模擬信號，由于這種方法獲得的聲音逼真度低且需要大量硬件才能實現，逐漸被數字音頻技術所淘汰。

2.2.2 數字音頻技術

數字音頻技術將聲音信號存儲在數字序列中，利用多個數字信號處理器進行信號的產生、濾波、變換、頻率調整、幅值調整、延時以及增強等，最后合成得到所期望的聲音。如圖3所示為數字音頻離散信號。數字音頻技術較模擬頻率合成方法而言有了一些進步，不再需要大量的硬件支持且具有更高的靈活性，但由于其同樣是通過控制幅值和頻率實現聲音仿真，所以逼真度不高。

2.2.3 聲音仿真技術（軟硬件結合技術）

隨著數字技術發展，專業的音頻硬件的產生，使聲音仿真技術步入了新臺階。較早出現的數字硬件是音頻芯片，音頻芯片需要配套的程序才能工作，通過軟件操控芯片的發聲，這種方法失真低、反應快，較之前的方法有了較大的進步。不過仍然只能在二維層面實現聲音的仿真，無法在三維層面模擬出想要的聲音效果，用戶使用沉浸感不強。因此，在后續研究中，采用新的仿真技術方法。首先對聲音進行采樣分析，對所得數據進行數字化處理后，將處理結果導入計算機中，通過仿真軟件實現混音與回放等操作，最后通過多聲道設備進行播放，實現三維立體聲仿真，令用戶獲得更好的體驗感。

3 結語

隨著現代環境態勢的瞬息萬變以及飛機平臺功能的多樣化、精細化發展，飛行人員地面輔助訓練的作用不斷提高，飛行模擬器對于促進戰斗力生成、提高飛行人員裝備操作水平具有重要意義。本文針對飛行模擬器的聽覺系統，對其聲音模擬系統進行了論述。通過分析聲音模擬系統的使用需求，并對其進行功能分析，明確了聲音模擬系統的特性。通過聲音模擬系統，能夠為操作人員提供真實的聽覺特征，真實模擬戰場環境。

（1）聲音模擬系統的效果是軟件與硬件協調合作所形成的，在實際作戰使用中，可根據不同機型對應不同的需求，從而更新相應的軟件。

（2）為滿足部隊使用，聲音模擬系統應充分考慮可維修性，滿足裝備的使用、維護需求。

（3）后續，可考慮將不同裝備的聲音模擬系統進行融合，實現聲音模擬系統的標準化，推動聲音模擬系統的統型發展。

參考文獻

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Research on sound simulation system technology of flight simulator

Abstract： Flight simulators can reproduce aircraft and air environments， and provide use simulations for equipment operators， thereby effectively assisting pilots in training， accelerating the effectiveness of weapons and equipment， and promoting the generation of combat effectiveness of troops. As one of the important systems of flight simulators， the sound simulation system can provide pilots with sound simulation and create a realistic battlefield environment experience. This paper takes the sound simulation system in the flight simulator as the research object. By analyzing the needs of the sound simulation system in the actual training of the troops， the functional structure and characteristics of the sound simulation system are constructed; and by combing the battlefield sound environment， the research content of the sound simulation system is clarified. Finally， combined with the development of sound simulation technology at home and abroad， the development path of the sound simulation system is sorted out. Through the sound simulation system， the flight simulator can be kept close to actual combat from the auditory perspective.

Key words： flight simulator; sound simulation; digital simulation