飛行模擬器聲音分析與合成及仿真技術研究.pdf

1、目前隨著世界特別是中國民用航空業(yè)的飛速發(fā)展,飛行員供不應求,飛行模擬器是各航空公司以及飛行學院用來訓練飛行員的必需裝備,它提供在飛行過程中視覺、聽覺、動感和力感的模擬,從而在地面上構建一個逼真的飛行環(huán)境。聲音仿真系統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狀態(tài),從而實現對飛機操作的實時仿真。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,聲音仿真系統軟件開發(fā)技術取得長足進步,模塊化集成化可移植性越來越高。

2、但是針對不同機型,開發(fā)聲音仿真系統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開發(fā)過程中費時費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為目標,研究聲音分析與合成技術進行聲源提取,在此基礎上開發(fā)飛行模擬器聲音仿真系統,并集成在飛行模擬器上面。
　　首先,提出一種使用短時傅里葉分析與合成技術提取聲源的方法,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,成功使用該技術從原始錄音中提取出起落架收放聲音以及發(fā)動機起動聲音,通過對比分析,表明該方法的可行性。
　　其次,針對飛機飛行中的各種噪聲,提出一種使用線性預測分析與合成技術提取噪聲源的方法。使用一種激勵源為零均值單位方差白噪聲的線性預測全極模型,使用自相關法推導出一個線性方程組。針對線性方程組用矩陣形式表示后出現Toeplitz自相關矩陣,使用Levinson-Durbin遞歸方法來求解線性方程組,比起傳統的

4、高斯消去法,不僅可以大量節(jié)省計算成本和存儲空間,還可從遞歸產生的中間結果中為線性預測合成的格型實現提供反射系數。通過噪聲試驗和對比分析,表明該方法的優(yōu)越性。
　　在聲音仿真中對于發(fā)動機等復雜部件的聲音,通常需要進一步的分解細化,因此提出基于一種頻譜建模合成技術的聲源提取方法。Serra和Smith提出的頻譜建模合成技術能實現聲源的真正分離,將聲音分解成確定信號和噪聲信號,從而直接提取聲源。指出該技術雖然性能效果好,但理論復雜,很多

5、實現步驟都需要復雜的信號處理算法。因此,本文結合飛機發(fā)動機聲音通常是時變諧音加噪聲這一事實,對該技術進行簡化。將該技術中峰值延續(xù)算法簡化成基頻檢測后的諧正弦合成,將時域的加合成修改成高效的基于逆FFT的頻域實現,將線段逼近替換為成熟的線性預測逼近。通過聲音試驗,使用簡化的 SS頻譜建模合成技術成功地從發(fā)動機起動原始錄音中分離出諧音與噪聲,從而提取出這兩種聲源,并通過對比分析,表明該方法的有效性。
　　提出一種三維聲音仿真系統組成方

6、式,將所有的系統數據交互及實現都放在主仿真計算機中,而聲音計算機只作為一個三維播放器。為了配合這種新的組成設計,在軟件實現時采用面向對象的程序開發(fā)方法,在聲音播放時使用聲音實時合成技術解決復雜部件聲音的仿真,使用音頻API解決聲音空間化問題,最終使得聲音仿真系統與其它飛行模擬器系統能夠無縫連接,開發(fā)出低成本高性能的聲音仿真系統。
　　本文開發(fā)三維聲音仿真系統的軟件實現方法可以很方便的進行更新和修改,并可很容易的進行移植。同時本文使