飛行模擬器聲音分析與合成及仿真技術(shù)研究.pdf

1、目前隨著世界特別是中國(guó)民用航空業(yè)的飛速發(fā)展,飛行員供不應(yīng)求,飛行模擬器是各航空公司以及飛行學(xué)院用來訓(xùn)練飛行員的必需裝備,它提供在飛行過程中視覺、聽覺、動(dòng)感和力感的模擬,從而在地面上構(gòu)建一個(gè)逼真的飛行環(huán)境。聲音仿真系統(tǒng)是飛行模擬器的重要組成部分,為飛行員提供身臨其境的音效感覺,幫助飛行員從聽覺上能夠正確判斷飛機(jī)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)操作的實(shí)時(shí)仿真。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,聲音仿真系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步,模塊化集成化可移植性越來越高。

2、但是針對(duì)不同機(jī)型,開發(fā)聲音仿真系統(tǒng)都需要從聲源混合的原始錄音中提取聲源,而不像軟件部分那樣可以方便的移植與集成,從而使得聲源提取成為整個(gè)開發(fā)過程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本不菲的一環(huán)。本文正是基于以上背景,以開發(fā)低成本高性能的聲音仿真系統(tǒng)為目標(biāo),研究聲音分析與合成技術(shù)進(jìn)行聲源提取,在此基礎(chǔ)上開發(fā)飛行模擬器聲音仿真系統(tǒng),并集成在飛行模擬器上面。
　　首先,提出一種使用短時(shí)傅里葉分析與合成技術(shù)提取聲源的方法,用來提取飛行模擬器聲音仿真中的大部分普

3、通聲源。通過聲音試驗(yàn),成功使用該技術(shù)從原始錄音中提取出起落架收放聲音以及發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)聲音,通過對(duì)比分析,表明該方法的可行性。
　　其次,針對(duì)飛機(jī)飛行中的各種噪聲,提出一種使用線性預(yù)測(cè)分析與合成技術(shù)提取噪聲源的方法。使用一種激勵(lì)源為零均值單位方差白噪聲的線性預(yù)測(cè)全極模型,使用自相關(guān)法推導(dǎo)出一個(gè)線性方程組。針對(duì)線性方程組用矩陣形式表示后出現(xiàn)Toeplitz自相關(guān)矩陣,使用Levinson-Durbin遞歸方法來求解線性方程組,比起傳統(tǒng)的

4、高斯消去法,不僅可以大量節(jié)省計(jì)算成本和存儲(chǔ)空間,還可從遞歸產(chǎn)生的中間結(jié)果中為線性預(yù)測(cè)合成的格型實(shí)現(xiàn)提供反射系數(shù)。通過噪聲試驗(yàn)和對(duì)比分析,表明該方法的優(yōu)越性。
　　在聲音仿真中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜部件的聲音,通常需要進(jìn)一步的分解細(xì)化,因此提出基于一種頻譜建模合成技術(shù)的聲源提取方法。Serra和Smith提出的頻譜建模合成技術(shù)能實(shí)現(xiàn)聲源的真正分離,將聲音分解成確定信號(hào)和噪聲信號(hào),從而直接提取聲源。指出該技術(shù)雖然性能效果好,但理論復(fù)雜,很多

5、實(shí)現(xiàn)步驟都需要復(fù)雜的信號(hào)處理算法。因此,本文結(jié)合飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)聲音通常是時(shí)變諧音加噪聲這一事實(shí),對(duì)該技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將該技術(shù)中峰值延續(xù)算法簡(jiǎn)化成基頻檢測(cè)后的諧正弦合成,將時(shí)域的加合成修改成高效的基于逆FFT的頻域?qū)崿F(xiàn),將線段逼近替換為成熟的線性預(yù)測(cè)逼近。通過聲音試驗(yàn),使用簡(jiǎn)化的 SS頻譜建模合成技術(shù)成功地從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)原始錄音中分離出諧音與噪聲,從而提取出這兩種聲源,并通過對(duì)比分析,表明該方法的有效性。
　　提出一種三維聲音仿真系統(tǒng)組成方

6、式,將所有的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互及實(shí)現(xiàn)都放在主仿真計(jì)算機(jī)中,而聲音計(jì)算機(jī)只作為一個(gè)三維播放器。為了配合這種新的組成設(shè)計(jì),在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)方法,在聲音播放時(shí)使用聲音實(shí)時(shí)合成技術(shù)解決復(fù)雜部件聲音的仿真,使用音頻API解決聲音空間化問題,最終使得聲音仿真系統(tǒng)與其它飛行模擬器系統(tǒng)能夠無縫連接,開發(fā)出低成本高性能的聲音仿真系統(tǒng)。
　　本文開發(fā)三維聲音仿真系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法可以很方便的進(jìn)行更新和修改,并可很容易的進(jìn)行移植。同時(shí)本文使