飞行模拟器声音模拟系统技术研究

摘要：飞行模拟器能够复现飞行器及空中环境，并为装备操作人员提供使用模拟，从而有效辅助飞行员进行训练，加速装备效能发挥。声音模拟系统作为飞行模拟器的重要系统之一，能够为飞行员提供声音仿真，创造逼真的环境感受。文章以飞行模拟器中声音模拟系统为研究对象，通过分析声音模拟系统在实际训练中的需求，构建了声音模拟系统的功能结构及特性；并通过对声音环境进行梳理，明确了声音模拟系统的研究内容。最后结合国内外声音仿真技术的发展，梳理了声音模拟系统的发展路径。通过声音模拟系统，能够在听觉角度使飞行模拟器发挥更大作用。

关键词：飞行模拟器；声音仿真；数字仿真

中图分类号：V216.8 文献标志码：A

0 引言

随着现代装备的不断发展以及战场态势的不断变化，对装备操作人员提出了更高的要求。飞行模拟器作为一种对飞行器进行模拟的设备，在民航、军事领域受到越来越多的关注。在广义方面，飞行模拟器的可模拟范围包括飞机、导弹、卫星、宇宙飞船等一切可飞行装置；在狭义方面，飞行模拟器可定义为用来模拟飞行器飞行且结构较复杂、功能较多的装置。飞行模拟器的不断发展，为促进训练效果提升、提高操作人员训练水平具有重要意义。

飞行模拟器通常由模拟座舱、运动系统、视景/声音系统、计算机系统和教员控制台5部分组成［1］。最早的飞行模拟器面世于20世纪20年代末，其发展历程从最初的机械式发展为电子式，直至当代广泛使用的数字式模拟器［2］。现代的飞行模拟器综合运用计算机、电气、机械、光学等各领域先进技术，可以使操作人员获得最接近现实的使用体验。相比于传统的真机训练，飞行模拟器具备训练维护成本低、安全性可靠性高、训练不受场地及天气等环境因素约束、可以自由对各种极端条件进行模拟以及场景可重复、可对同一条件进行多次训练的优点［3］。基于此，飞行模拟器能够最大限度为操作人员提供地面训练条件，保障飞行训练有序开展。

在飞行模拟器中，操作人员主要通过视景模拟系统和声音模拟系统分别获取视觉及听觉信息。听觉是人体中极敏感的一种感觉，是飞行员感知环境态势的重要因素之一［4］。一套优秀的声音模拟系统是飞行模拟器中不可或缺的一部分，能够为飞行员提供飞行操作中所感受的驾驶舱声音。声音模拟系统的主要作用是结合视景仿真系统，为飞行员提供逼真、沉浸的视听感受，帮助飞行员从听觉上正确地判断飞机的飞行状态，从而实现对飞机操作的实时仿真。

1 声音模拟系统功能分析

目前，国外先进的飞行模拟器中，声音模拟系统通常采用声音的实时生成技术，因此对声音的定位与空间化、距离感、声源的瞬态和运动特性（如声音的多普勒效应、声音的叠加和同步等）表现得较为真实［5］。国内关于声音模拟系统的研究起步较晚，模拟器中的声音模拟系统都是简单地模拟飞行器运行时的环境声音，比如一些飞行模拟器仅是一种简单的声音播放，虽然具有程序控制功能，但是就声音本质而言，模拟效果单调，缺乏真实感。模拟声音不能随环境变化而变化，不具备特殊音效，无法适应部分场景的特殊需求。也有部分模拟器可以提取声音的频谱信息、响度信息等要素，通过处理生成所需声音，可以很好地实现声音的同步叠加与距离感，但在声音方向性方面的技术实现还有所欠缺，有待进一步提高。

通过飞行模拟器进行日常训练的目的是培养飞行员的驾驶能力，从而丰富飞行员的驾驶经验。因此，飞行模拟器的声音模拟系统应当以真实的飞行操作为主体导向，便于教员与飞行员之间的相互沟通，并方便使用、维护的全过程管理，具有较好的扩展性和可维护性［6］。通过对国内外声音模拟系统进行梳理分析，并结合实际使用需求，声音模拟系统应当具备如下功能。

（1）播放声音功能。播放声音是声音模拟系统最基本的功能，通过有效的声音仿真，可以增加模拟器的逼真度，增强使用者的沉浸感。

（2）数据接收功能。声音模拟系统是飞行模拟器的一部分，在实际使用中，声音模拟系统必须与其他系统协调合作，才能完成整体的模拟指令。

（3）混音功能。在真实的飞行过程中，声场环境极为复杂，包含来自多个设备、多个场景的声音。因此在播放模拟声音时，需要利用混音功能将不同的声音在同一声道中播出。

（4）实时通信功能。通过实时通信功能，飞行员在模拟器中训练时，能够与教练员进行实时的沟通交流。

随着仿真技术的不断发展，为使声音模拟系统在使用中更逼近真实飞行，还需满足以下特性：

（1）全面性。飞行员在实际驾驶时，遇到的外界环境以及飞行状态随机多样，因此需要飞行模拟器能够提供各种情况下的声音响应。例如遭遇雷雨天气，若飞机平台自身噪声较小，此时声音模拟系统应能模拟雷声、雨声及风声；若飞机平台噪声性能更加优越，则对模拟器有了更高的要求，此时声音模拟系统应能体现出雨滴碰撞金属机身、玻璃窗的声音等［7］。综上所述，飞行模拟器的全面性越好、能模拟的场景越多，越能够体现细节效果。

（2）真实性。真实性确保了声音模拟系统所提供的声音应当清晰且真实准确，可以令操作人员准确地辨识声音种类。在载机飞行过程中，飞行员需要获取海量信息。若仅依赖眼睛观察获取仪表盘的信息、环境信息和任务目标信息具有较高难度，还需要结合听觉信息，完成对环境态势的综合判断。例如在实际训练过程中，飞行人员通过引擎声、气流声来获得飞机自身的状态信息，或通过气流声、多普勒效应等分析判断敌机及导弹的位置及远近。因此，声音模拟系统的真实性，能够确保操作人员准确掌握实际飞行中的各种声音。

（3）方向准确性。方向准确性反映了声音模拟系统中不同声音、声源位置与真实情况的符合程度。如图1所示，不同方向的声源会对人耳产生不同的听觉感受。在实际训练过程中，应当结合装备特征，准确反映声源信息。比如针对战斗机，其起落架声音应源自下方；针对直升机，其螺旋桨声音应源自飞行员后侧上方；针对运输机，其引擎声应源自飞机左右两侧。如果模拟的声音方向不准确，会让飞行员错误判断形势，无法正确掌握飞行信息，从而降低模拟的真实性，降低训练效果。

（4）运行稳定性。飞行模拟器声音模拟系统应能够稳定运行，避免因程序优化问题、硬件问题、兼容性问题等各方面因素影响模拟器正常运行，从而影响操作人员训练。

（5）响应迅速性。飞行模拟器声音模拟系统应当流畅运行，对各种信号的响应延迟应迅速灵敏。在真实飞行过程中，飞行器自身具备极大的速度，这就导致飞行员在飞行过程中遇到各种情况时，只有极短的反应时间。如果声音模拟系统对信号的响应时间过长，将会导致飞行员对突发情况反应不及时，严重影响操作人员的训练效果。

2 声音模拟分析

2.1 声音类型及特点分析

为了让声音模拟系统能够全面地模拟各种声音，应结合飞机平台特点，对飞行过程时产生的各种声音进行分类，并按类别及特点进行仿真。通过统计分析飞机平台声音数据，飞机实际飞行时的声音种类过于繁多，如果在模拟过程中完全复现所有声音，可能受到硬件限制（CPU、声卡无法满足性能需求）及声特性（声音反射、混响）限制。因此，需要对各种声音进行分类简化［8］。按照循环特点，可以将载机平台声音分为以下循环类型。

（1）单次型。此类型声音可直接播放，如飞机起落架收上、放下声以及地面通话声等。

（2）单次循环型。此类型声音可明显分成几段，然后循环播放，如飞机警报声等。

（3）纯循环型。此类型声音循环无变化，如外部环境中的雷声、雨声以及座舱内电子仪器的运作声等。

（4）循环改变音量型。此类型声音与循环型近似相同，但在播放时需要改变声音的音量，如飞机外风的声音等。

（5）循环改变频率型。此类型声音与循环型近似相同，但在播放时需要改变声音的频率，如飞机轮胎与跑道的摩擦声等。

（6）循环改变音量、频率型。此类型声音需要随飞行参数的变化，相应改变声音的音调和音量，如飞机发动机的转子声、进气排气声等。

2.2 声音模拟技术分析

随着音频技术的发展，声音模拟技术从模拟频率合成技术发展至数字音频技术。随着音频软硬件技术的不断发展，声音仿真技术也随之进步。

2.2.1 模拟频率合成技术（硬件技术）

在声音模拟技术发展的初期，由于不具备开发音频软件的条件，基本只能采用模拟频率合成的方法，且仅通过硬件方式实现。应用过程中，首先要采集所需要的声音，对其进行分析后取得频谱值，然后以频谱值为约束条件对谐波发生器产生的频率和幅值进行控制，最后再用滤波器和混频器进行处理，得到合成好的声音［9］。如图2所示为连续声音模拟信号，由于这种方法获得的声音逼真度低且需要大量硬件才能实现，逐渐被数字音频技术所淘汰。

2.2.2 数字音频技术

数字音频技术将声音信号存储在数字序列中，利用多个数字信号处理器进行信号的产生、滤波、变换、频率调整、幅值调整、延时以及增强等，最后合成得到所期望的声音。如图3所示为数字音频离散信号。数字音频技术较模拟频率合成方法而言有了一些进步，不再需要大量的硬件支持且具有更高的灵活性，但由于其同样是通过控制幅值和频率实现声音仿真，所以逼真度不高。

2.2.3 声音仿真技术（软硬件结合技术）

随着数字技术发展，专业的音频硬件的产生，使声音仿真技术步入了新台阶。较早出现的数字硬件是音频芯片，音频芯片需要配套的程序才能工作，通过软件操控芯片的发声，这种方法失真低、反应快，较之前的方法有了较大的进步。不过仍然只能在二维层面实现声音的仿真，无法在三维层面模拟出想要的声音效果，用户使用沉浸感不强。因此，在后续研究中，采用新的仿真技术方法。首先对声音进行采样分析，对所得数据进行数字化处理后，将处理结果导入计算机中，通过仿真软件实现混音与回放等操作，最后通过多声道设备进行播放，实现三维立体声仿真，令用户获得更好的体验感。

3 结语

随着现代环境态势的瞬息万变以及飞机平台功能的多样化、精细化发展，飞行人员地面辅助训练的作用不断提高，飞行模拟器对于促进战斗力生成、提高飞行人员装备操作水平具有重要意义。本文针对飞行模拟器的听觉系统，对其声音模拟系统进行了论述。通过分析声音模拟系统的使用需求，并对其进行功能分析，明确了声音模拟系统的特性。通过声音模拟系统，能够为操作人员提供真实的听觉特征，真实模拟战场环境。

（1）声音模拟系统的效果是软件与硬件协调合作所形成的，在实际作战使用中，可根据不同机型对应不同的需求，从而更新相应的软件。

（2）为满足部队使用，声音模拟系统应充分考虑可维修性，满足装备的使用、维护需求。

（3）后续，可考虑将不同装备的声音模拟系统进行融合，实现声音模拟系统的标准化，推动声音模拟系统的统型发展。

参考文献

［1］徐臻荣.飞行模拟器在航空科普场馆的运用与研究［J］.科技传播，2019（19）：164-166.

［2］LU Q，YAO X.Clustering and learning gaussian distribution for continuousopt soptimization［J］.IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics-Part C-Applications Reviews，2005（2）：195-204.

［3］王恒亮，刘文龙，胡兴平.飞行模拟器声音仿真系统设计与实现［J］.航空科学技术，2015（12）：47-52.

［4］吴慧钦，王志强，阿西达，等.飞行模拟器声音仿真系统设计及实现［J］.教练机，2023（1）：12-15.

［5］匡姝静，孙磊，夏菽兰，等.基于ROS的机场智能驱鸟系统仿生学总线仿真分析［J］.建模与仿真，2023（6）：8-12.

［6］韩强，李居伟，吕收.水下声呐探测系统信息支持下的直接攻潜作战仿真［J］.海军航空大学学报，2022（1）：6-10.

［7］张奕，林泓辰，于万波，等.基于坐标—灰度交织映射的视频麦克风声音复原系统［J］.计算机应用研究，2023（3）：5-9.

［8］丁锐，刘锦，刘世光.声音传播模拟技术综述［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2019（8）：1267-1277.

［9］陈亚青，王盛杰，曹玮琦，等.混合现实技术在飞行训练中的应用［J］.无线互联科技，2023（11）：103-108.

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