МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИМИТАЦИИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ ШУМОВ ДЛЯ АВИАТРЕНАЖЕРОВ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ИМИТАЦИИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ АВИАЦИОННОГО ШУМА (ВАРИАНТЫ)
MULTICHANNEL VIBROACOUSTIC SYSTEM OF SIMULATION AND REPRODUCTION OF AIRCRAFT NOISE FOR AVIATION SIMULATORS (VERSIONS) AND METHOD OF SIMULATING AND REPRODUCING AIRCRAFT NOISE (VERSIONS)

Изобретение относится к пространственной, многоканальной, цифроаналоговой виброакустической и звуковой технике. Новый цифровой формат может быть использован при разработке и изготовлении авиационных комплексных тренажеров всех категорий, с возможностью для обучения, тренировки и демонстрации умений экипажем, осуществлению действий по пилотированию, управлению, навигации, эксплуатации бортовых систем и оборудования, коммуникативной деятельности, рациональному взаимодействию, в том числе при наличии отказов, неисправностей и особых случаев в полете и движении.
Известна многополосная акустическая система для восстановления звуковой картины, состоящая из двух и более акустических блоков и дополнительно содержащая механические элементы для регулировки фазы акустических блоков и изменения углов акустических осей акустических блоков при сведении в центр восстанавливаемой звуковой картины (RU 2325790, H04S 3/00, опубл. 27.05.2008).
Известная многоканальная звуковая система состоит из помещения для записи, где располагают группы исполнителей и слушателей, микрофонов для записи с кардиоидной диаграммой направленности, высота установки микрофонов находится на уровне головы слушателей, а расстояние между ними около 1,8-3 м, что примерно равно стандартному расположению акустических систем в жилой комнате, третий микрофон установлен посередине между первыми двумя микрофонами на высоте около 0,6-1,5 м выше уровня головы слушателей в вертикальной, что примерно соответствует стандартной высоте потолков жилой комнаты. Все микрофоны акустическими осями направлены в центр звуковой картины, расположенной на воображаемой вертикальной плоскости, проходящей по фронту исполнителей и отстоящей на величину 1,5-2 м, что примерно соответствует стандартной ширине жилой комнаты. Центр звуковой картины располагается на уровне головы слушателей и посередине между первыми двумя микрофонам, канальных усилителей, подключенных к микрофонам и обеспечивающих на своих выходах амплитудные и фазовые межканальные соотношения, эквивалентные входным, помещения для прослушивания, плоскости для восстановления звуковой картины, на которой расположен центр восстанавливаемой звуковой картины, слушателей, плоскости расположения акустических систем, акустических систем, подключенных соответственно к усилителям, размещения акустических систем по отношению к центру восстанавливаемой звуковой картины эквивалентно размещению микрофонов по отношению к центру.
Из этого же источника известен способ регистрации и восстановления многомерной звуковой картины, при котором в помещении для записи акустические оси всех микрофонов направлены в центр записываемой звуковой картины, расположенной на вертикальной плоскости, проходящей по фронту исполнителей, причем центр звуковой картины располагают на уровне головы слушателей и посередине между микрофонами, а в помещении для прослушивания размещение акустических систем на вертикальной плоскости по отношению к центру восстанавливаемой звуковой картины эквивалентно размещению микрофонов в помещении для записи, отличающийся тем, что при передаче от микрофона до акустической системы и усилении всех компонентов сигнала звуковой картины обеспечивают выходные амплитудные и фазовые соотношения, эквивалентные входным, причем перемещением акустических систем в вертикальной плоскости осуществляют их фазировку между собой, а вращением акустических систем осуществляют сведение их осей в точку восстановления звуковой картины.
Данная система не дает возможности точной азимутальной локализации (до 6°) источников звука, расположенных в тыльной сцене от слушателя и имитирующих точную звуковую характеристику работающих узлов и агрегатов на различных режимах вертолетов, самолетов, наземного и водного транспорта, а так же специальных машин и техники. Данная система не позволяет воспроизведение звуковых сигналов для авиационных и транспортных тренажеров, которые работают по принципу трансляции исполнительного сигнала, генерирующего от АПК тренажера (аппаратно-программным комплексом) и полностью характеризующего посистемную работу всех узлов и агрегатов тренажера в целом.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство, реализующее систему многоканального окружающего звука от фронтально установленных громкоговорителей (RU 2364053, H04R 5/02, H04S 3/00, опубл. 10.08.2009). Данное решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Эта система воспроизведения звука включает в себя первый входной аудиосигнал, второй входной аудиосигнал, третий входной аудиосигнал и четвертый входной аудиосигнал, левый главный громкоговоритель и правый главный громкоговоритель, которые должны быть размещены соответственно в положениях левого и правого главных громкоговорителей на определенном расстоянии друг от друга на оси громкоговорителей, определяемой как линия, проходящая через указанные положения левого и правого главных громкоговорителей, причем область прослушивания включает в общем область перед положениями левого и правого главных громкоговорителей таким образом, чтобы положение левого главного громкоговорителя находилось слева, а положение правого главного громкоговорителя находилось справа, если смотреть на них из области прослушивания, и указанные левый и правый главные громкоговорители воспроизводят звуки, ассоциированные с сигналами, получаемыми указанными левым и правым главными громкоговорителями, левый вспомогательный громкоговоритель и правый вспомогательный громкоговоритель, которые должны быть размещены соответственно в положениях левого и правого вспомогательных громкоговорителей, причем предполагаемые положения левого и правого вспомогательных громкоговорителей находятся примерно на оси громкоговорителей таким образом, чтобы положения левого и правого вспомогательных громкоговорителей, если смотреть на них из области прослушивания, находились слева и справа соответственно от соответствующих положений левого и правого главных громкоговорителей и отстояли на расстояние d от соответствующих положений левого и правого главных громкоговорителей таким образом, чтобы расстояние d находилось в интервале от примерно 50% до 150% от среднего расстояния между ушами человека, измеренного по прямой линии через голову, и указанные левый и правый вспомогательные громкоговорители воспроизводят звук, ассоциированный с получаемыми ими сигналами; и средства модификации и суммирования сигнала, где указанные средства модификации и суммирования сигнала включают средства модификации и суммирования первого входного аудиосигнала со вторым входным аудиосигналом и передачи комбинации указанного модифицированного первого входного аудиосигнала и указанного второго входного аудиосигнала на указанный левый главный громкоговоритель, средства модификации и суммирования четвертого входного аудиосигнала с третьим входным аудиосигналом и передачи комбинации указанного модифицированного четвертого входного аудиосигнала и указанного третьего входного аудиосигнала на указанный правый главный громкоговоритель, средства вычитания указанного модифицированного четвертого входного аудиосигнала из указанного модифицированного первого входного аудиосигнала и передачи полученного разностного сигнала на указанный левый вспомогательный громкоговоритель, и средства вычитания указанного модифицированного первого входного аудиосигнала из указанного модифицированного четвертого входного аудиосигнала и передачи полученного разностного сигнала на указанный правый вспомогательный громкоговоритель, в которой воспроизводимый системой звук, ассоциированный с указанными вторым и третьим входными аудиосигналами, воспринимается слушателем, находящимся в области прослушивания, чья голова ориентирована в общем в направлении к положениям громкоговорителей, как исходящий из пространственной области источников звука, расположенной примерно между указанными левым и правым главными громкоговорителями, и в которой воспроизводимый системой звук, ассоциированный с указанными первым и четвертым входными аудиосигналами, воспринимается слушателем, находящимся в области прослушивания, чья голова ориентирована в общем в направлении к положениям громкоговорителей, как исходящий из широкого интервала положений источников звука, выходящего за пределы положений указанных левого и правого вспомогательных громкоговорителей.
Кроме того, система воспроизведения звука содержит пятый входной аудиосигнал, центральный фронтальный громкоговоритель, предназначенный для размещения между положениями левого и правого главных громкоговорителей, причем указанный центральный фронтальный громкоговоритель воспроизводит звук, ассоциированный с получаемыми им сигналами; и средства передачи указанного пятого входного аудиосигнала на указанный центральный фронтальный громкоговоритель, в которой воспроизводимый системой звук, ассоциированный с указанным пятым входным аудиосигналом, воспринимается слушателем, находящимся в области прослушивания, чья голова ориентирована в общем в направлении к положениям громкоговорителей, как исходящий примерно из положения указанного центрального фронтального громкоговорителя. При этом в системе расстояние между указанными соответствующими главными и вспомогательными громкоговорителями примерно равно среднему расстоянию между ушами.
Известное изобретение относится, в общем, к воспроизведению звука в многоканальных системах, известных как системы ″окружающего звука″ и, конкретнее, к применению психоакустических принципов к проектированию акустической системы для воспроизведения ощущения окружающего звука от громкоговорителей, расположенных только впереди слушателя. Акустическая система включает левый и правый входные сигналы окружающего звука, а также левый и правый фронтальные входные сигналы. Левый и правый вспомогательные громкоговорители, а также левый и правый главные громкоговорители расположены перед положением прослушивания. Расстояние между соответствующими главными и вспомогательными громкоговорителями примерно равно расстоянию между ушами среднего человека.
Данная система в случае ее применения для авиатренажеров не дает возможности точной азимутальной локализации (до 6°) источников звука, работающих узлов и агрегатов на различных режимах вертолетов, самолетов, транспорта и специальной техники.
Из этого же источника известен способ создания фантомного эффекта окружающего звука от акустической системы, расположенной впереди слушателя, включающий стадии использования левого главного громкоговорителя и правого главного громкоговорителя, которые должны быть размещены соответственно в положениях левого и правого главных громкоговорителей на некотором расстоянии друг от друга по оси громкоговорителей, определяемой как линия, проходящая через указанные положения левого и правого главных громкоговорителей, с областью прослушивания, включающей в общем область перед положениями левого и правого главных громкоговорителей таким образом, чтобы положение левого главного громкоговорителя находилось слева, а положение правого главного громкоговорителя находилось справа, если смотреть на них из области прослушивания; использования левого вспомогательного громкоговорителя и правого вспомогательного громкоговорителя, которые должны быть размещены соответственно в положениях левого и правого вспомогательных громкоговорителей, где предполагаемые положения левого и правого вспомогательных громкоговорителей должны находиться примерно на оси громкоговорителей таким образом, чтобы положения левого и правого вспомогательных громкоговорителей, если смотреть из области прослушивания, были расположены слева и справа соответственно от соответствующих положений левого и правого главных громкоговорителей и отстояли на расстояние d от соответствующих положений левого и правого главных громкоговорителей таким образом, чтобы расстояние d находилось в интервале от примерно 50% до 150% от среднего расстояния между ушами человека при измерении по прямой линии через голову; модификации первого входного аудиосигнала и суммирования модифицированного первого входного аудиосигнала со вторым входным аудиосигналом, передачи комбинации модифицированного первого входного аудиосигнала и второго входного аудиосигнала на левый главный громкоговоритель, и воспроизведения звука, ассоциированного с комбинацией модифицированного первого входного аудиосигнала и второго входного аудиосигнала в левом главном громкоговорителе; модификации четвертого входного аудиосигнала и суммирования модифицированного четвертого входного аудиосигнала с третьим входным аудиосигналом, передачи комбинации модифицированного четвертого входного аудиосигнала и третьего входного аудиосигнала на правый главный громкоговоритель, и воспроизведения звука, ассоциированного с комбинацией модифицированного четвертого входного аудиосигнала и третьего входного аудиосигнала, в правом главном громкоговорителе; вычитания модифицированного четвертого входного аудиосигнала из модифицированного первого входного аудиосигнала, передачи полученного разностного сигнала на левый вспомогательный громкоговоритель, и воспроизведения звука, ассоциированного с разностным сигналом, в левом вспомогательном громкоговорителе; и вычитания модифицированного первого входного аудиосигнала из модифицированного четвертого входного аудиосигнала, передачи полученного разностного сигнала на правый вспомогательный громкоговоритель, и воспроизведения звука, ассоциированного с разностным сигналом, в правом вспомогательном громкоговорителе; в котором воспроизводимый звук, ассоциированный со вторым и третьим входными аудиосигналами, воспринимается слушателем, находящимся в области прослушивания, чья голова ориентирована в общем в направлении к положениям громкоговорителей, как исходящий из пространственной области источников звука, расположенной примерно между указанными левым и правым главными громкоговорителями, и в котором воспроизводимый звук, ассоциированный с первым и четвертым входными аудиосигналами, воспринимается слушателем, находящимся в области прослушивания, чья голова ориентирована в общем в направлении к положениям громкоговорителей, как исходящий из широкого интервала положений источников звука, выходящего за пределы положений указанных левого и правого вспомогательных громкоговорителей.
Основными недостатками прототипа являются:
- отсутствие специальной адаптивной акустической системы, созданной исключительно для воспроизведения и имитации акустического шума, издаваемого техническими узлами и агрегатами воздушных судов, наземного и морского транспорта, а также специальной техники, возникающего в конструкции, в результате имитации работы систем на разных режимах;
- отсутствие специальной корректирующей по АЧХ исполнительного и рефернесного сигнала системы, обрабатывающей два сигнала одновременно в реальном времени.
В основу настоящего изобретения положена задача создания акустического аппаратного комплекса и звукового цифроаналогового формата передачи данных, имитации технического и естественного шума и вибрации, с высокой степенью адекватностью и точной локализацией азимута на источник шума, для использования в авиационной тренажеростроительной отрасли.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении уровня достоверности и адекватности авиакосмических тренажеров за счет повышения точности воспроизведения акустической среды по критериям объективной и субъективной квалификационной оценки.
Указанный технический результат для устройства по первому варианту достигается тем, что многоканальная виброакустическая система имитации и воспроизведения авиационных шумов для авиатренажеров содержит фронтальные громкоговорители, центральный из которых расположен между двумя другими и напротив места размещения слушателя, при этом векторы звукового излучения каждого фронтального громкоговорителя направлены в место размещения слушателя и размещены в плоскости, проходящей через уши слушателя, снабжена тыльными громкоговорителями, центральный из которых расположен на оси, проходящей через место размещения слушателя и напротив расположенного во фронтальной зоне центрального громкоговорителя, который выполнен с возможностью излучения низкочастотного излучения, два других громкоговорителя, выполненные с возможностью излучения виброакустического сигнала каждый, в тыльной зоне расположены по бокам центрального громкоговорителя с направлением вектора виброакустического излучения под углом в 5-30° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон, два низкочастотных громкоговорителя в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под углом в 45° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон и подняты вверх под углом в 45°, два боковых низкочастотных громкоговорителя в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под углом в 25-55° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон, а два громкоговорителя во фронтальной зоне, расположенные по бокам от центрального громкоговорителя в этой зоне, установлены по отношению к центральному громкоговорителю в тыльной зоне с направлением вектора звукового излучения под углом в 120-180° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон.
Указанный технический результат для устройства по второму варианту достигается тем, что многоканальная акустическая система имитации и воспроизведения авиационных шумов для авиатренажеров содержит фронтальные громкоговорители, центральный из которых расположен между двумя другими и напротив места размещения слушателя, при этом векторы звукового излучения каждого фронтального громкоговорителя направлены в место размещения слушателя и размещены в плоскости, проходящей через уши слушателя, а также аппаратный комплекс, и снабжена тыловыми громкоговорителями, центральный из которых расположен на оси, проходящей через место размещения слушателя и напротив расположенного во фронтальной зоне тылового громкоговорителя, который выполнен с возможностью излучения низкочастотного излучения, два других громкоговорителя, выполненные с возможностью излучения виброакустического сигнала каждый, в тыльной зоне расположены по бокам центрального громкоговорителя с направлением вектора виброакустического излучения, под углом в 5-30° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон, два низкочастотных громкоговорителя в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под любым углом к оси, два боковых низкочастотных громкоговорителя в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под углом в 25-55° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон, а два громкоговорителя во фронтальной зоне, расположенные по бокам от центрального громкоговорителя в этой зоне, установлены по отношению к центральному громкоговорителю в тыльной зоне с направлением вектора звукового излучения под углом в 120-180° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон, при этом аппаратный комплекс коммутации выполнен с возможностью реализации функций поканальной регулировки АЧХ, анализа исходящего поканального сигнала, с возможностью его сравнения с референтным сигналом из библиотеки акустических исходных данных, с суммой получаемых сигналов на борту тренажера в ходе озвучивания всеми громкоговорителями, с поддерживающей разницей по динамическому давлению ±5 дБ невзвешенного формата 1/3 октавной полосы, от полосы минимум от 20 Гц до 20 кГц, а также азимутальному направлению на кажущийся источник звука в диапазоне 10-15°, расположенных в соответствии со схемой азимутального расположения громкоговорителей тылового и фронтального азимута места психоакустического воздействия на слушателя, при этом векторы звукового излучения каждого тылового громкоговорителя являются основными и направлены в место размещения слушателя и плоскости, проходящей через уши слушателя, а фронтальные и боковые громкоговорители являются поддерживающими психоакустические параметры излучаемого сигнала, позволяющего достичь максимальную достоверность по азимуту, давлению и частотному спектру АЧХ относительно референтного сигнала.
Указанный технический результат для способа достигается тем, что способ имитации и воспроизведения авиационного шума для авиатренажеров заключается в извлечении, микшировании, параметрической регулировке, редактировании из библиотеки формата виброакустических записей авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации шумовых или звуковых фрагментов в виде звуковых сэмплов, каждый из которых закреплен за своей миди-нотой, соответствующей фортепианной клавиатуре от ноты ДО первой октавы до ноты ДО третьей октавы, передаче указанных сэмплов в независимом друг от друга виде через миди-секвенсор в соответствии с миди-сценарием, устанавливающим время запуска каждого сэмпла на физические выходы системы воспроизведения, соответствующее времени начала работы узлов и агрегатов носителя авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации, корректировке воспроизведенной суммы всех сэмплов относительно референтных сигналов технического шума и вибрации, предварительно полученных с помощью звукового и виброзаписывающего устройства на борту воздушного судна.
Указанный технический результат для способа также достигается тем, что способ имитации и воспроизведения авиационного шума для авиатренажеров заключается в записи референтных сигналов технического шума и вибрации с локализацией азимута их направленности, с помощью звукового и виброзаписывающего устройства на борту воздушного судна, в извлечении, микшировании, параметрической регулировке, редактировании из библиотеки формата виброакустических записей авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации шумовых или звуковых фрагментов в виде звуковых сэмплов, каждый из которых закреплен за своей миди-нотой, соответствующей фортепианной клавиатуре от ноты ДО первой октавы до ноты ДО третьей октавы, передаче указанных сэмплов в независимом друг от друга виде через миди-секвенсор в соответствии с миди-сценарием, устанавливающим время запуска каждого сэмпла на физические выходы системы воспроизведения, соответствующее времени начала работы узлов и агрегатов носителя авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации, корректировке воспроизведенной суммы всех сэмплов относительно референтных сигналов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - схема расстановки сэмплов;
фиг. 2 - таблица распределения звуковых фрагментов (шумов) по нотному ряду;
фиг. 3 - общий вид таймлайна;
фиг. 4 - табличный перечень звуковых фрагментов для таймлайна по фиг. 3;
фиг. 5 - изображена блок-схема устройства, реализующего способ поканального распределения звуковой информации;
фиг. 6 изображена схема устройства, реализующего способ поканального распределения звуковой информации с точной азимутальной направленностью;
фиг. 7 - изображена плоскость прохождения звукового поля по месту расположения слухового аппарата сидящего в тренажере человека;
фиг. 8 - показано акустическое пространство по векторам излучения каждого динамика (источника звука);
Согласно настоящему изобретению рассматривается способ имитации и воспроизведения авиационного шума, основанный на многоканальной виброакустической записи (ATSS/PR) авиационного шума (звука) и на метрологической регистрации технического шума и вибрации с высокой степенью адекватности и точной локализацией азимута воспроизводимого агрегатного шума (звука). В рамках изобретения также рассматривается конструкция многоканальной цифроаналоговой виброакустической системы с пространственным озвучиванием. Пространственная виброакустическая система воспроизведения построена на передаче звуковой и вибрационной информации работающего воздушного судна. Воздействие звуковой волны передается на заднюю (тыльную) и частично переднюю (фронтальную) полусферы человеческого анализатора слуха, с точным воспроизведением и соответствием АЧХ с заданными техническими допусками, и точной локализацией по азимуту воспроизводимого различными системами шума (звука). Воздействие вибрационных колебаний (скорость и ускорение) передается на элементы конструкции сидений (кресел) в авиационном тренажере.
В рамках заявленных объектов решается шесть технических задач:
1. Посредством разработанной методики «способом» метрологической записи референтных сигналов (ATSS/R), получаемых посредством регистрации звукового и виброзаписывающего комплекса на борту воздушного судна, с использованием общих требований и методов испытаний согласно ГОСТ 17168-82, а также параметрам качества и методов измерения согласно ГОСТ 11515-91 и Санитарным нормам СН 2.2.4/2.1.8.562-96. ICAO 9625 Rev.3, CS-FSTD; Flight Crew Operating Manual (FCOM).
2. Посредством создания программного обеспечения и аппаратного комплекса цифрового Исполнительного Акустического Комплекса (ИАК), многоканального воспроизведения, коммутации и обработки виброзвуковых данных в рамках ЦИФРОВОГО ФОРМАТА ДАННЫХ ATSS/P.
3. Посредством создания программы двусторонней обратной связи для корректировки воспроизведенной суммы всех сигналов относительно формата данных ATSS/R в полном соответствии АЧХ референтных сигналов, включенного в цепь прохождения сигнала от АПК «тренажера» до акустической системы тренажерного комплекса.
4. Посредством разработки новой многоканальной схемы озвучивания акустического объема кабины воздушного судна, с учетом расположения в ней пилотов.
5. Посредством создания «сервисного» программно-аппаратного модуля диагностики неисправностей, регламентного тестирования и обновления, обработки данных работы устройства, его тестирование и частичная.
6. Посредством создания «инсталляционного» аппаратного модуля согласования всей суммы звуковых сигналов акустической системы на соответствие АЧХ и ФЧХ в 1/3 октавном диапазоне невзвешенного формата референтного виброакустического сигнала цифрового формата ATSS/P.
Метрологическая запись референтных сигналов в формате ATSS/R, проводится посредством регистрации звукового и виброзаписывающего комплекса на борту воздушного судна. Аудиовибрационная запись производится синхронизированными каналами, посредством «Time code», связанными между собой линейками измерительных «не направленных» микрофонов (с круговой кардиоидой направленности сигнала), и «узко направленными» конденсаторными микрофонами, с ослабленной тыловой и боковой чувствительностью (Q=90°). В линейку записи входит 2-канальный акселерометр (датчик вибрации), который также синхронизирован посредством «Time code» с линейкой измерительных микрофонов. Таким образом, фронтальная и тыловая чувствительность при однонаправленности такой системы с понижением частоты сигнала (АЧХ) от 20 кГц до уровня 20 Гц в 1/3 октавном диапазоне невзвешенного формата от работы узлов и агрегатов исследуемого объекта значительно возрастает, что и требует общая система точной локализации азимута направленности при последующем воспроизведении технических шумов и вибрации в кабине тренажера.
ИАК представляет собой цифроаналоговый комплекс многоканального воспроизведения звуковых фрагментов из библиотеки данных (далее - сэмплов) при получении необходимой команды, а также функциональные возможности по плавному изменению высоты тона сэмплов, проигрывания участка сэмпла с произвольной позиции, закольцовыванного (loop) воспроизведения сэмпла или его участка, возможности по настройке динамической ADSR огибающей сэмпла, плавных возрастаний и затуханий (fades), плавной склейки звуковых фрагментов. Важной применяемой особенностью ATSS/P является возможность одновременного воспроизведения множества звуковых фрагментов (polyphony) и, в нашем случае, возможность вывода смикшированного звукового потока на 6-8 выходов драйвера аудиоинтерфейса (см. блок-схемы 1). Принятая система управления hardware и software сэмплерами является протоколом MIDI и более современным и намного более расширенным по возможностям протоколом Open Sound Control, включающем в себя в т.ч. и поддержку MIDI. При включении данного протокола при разработке продукта с поддержкой MIDI и OSC протоколов в той или иной степени уже обладают все ориентиры на работу с аудио фреймворки и библиотеки. Созданный формат ATSS/P может существенно расширить возможности достаточно большого количества мощных программных сэмплеров при учете того, что большинство вышеуказанных форматов либо обладают закрытым проприетарным форматом библиотек звуков, не позволяющих подключение собственных сэмплерных банков, либо узкозаточены и потому ограничены по возможностям для применения в отечественной промышленности.
В целях упрощения задачи для сборки не использованы все задействованные в рабочей модели звуковые фрагменты записанных элементов (в частности, шум лопастей), все сэмплы выведены в виде монофайлов, вывод звука из сэмплера тоже осуществляется в режиме моно.
Каждый из звуковых фрагментов закреплен за своей миди-нотой (в MIDI используется 127 команд-нот, соответствующих фортепианной клавиатуре: ноте ДО (С в западной традиции обозначения) первой октавы советует 24 нота MIDI, ноте ДО третьей октавы - 48 и т.д.). Получилась следующая расстановка сэмплов, которая представлена на фиг. 1 и 2.
В DAW Reaper, являющимся midi-секвенсором, был написан миди-сценарий (файл mi playtest.mid, прилагается). Каждая из команд-нот запускает в определенный фрагмент времени проигрывание одного из сэмплов, причем проигрывание это происходит согласно заложенному в сценарий библиотеки (mi_flight_draft.sfz) виду. Файл либо проигрывается один раз, от начала до конца, после получения команды note_on, либо же получения аналогичной команды файл проигрывается в закольцованном виде, т.е. после окончания файла он немедленно проигрывается снова. При этом, к примеру, файл electro loop.wav на ноте 36 продолжает проигрываться и после получения команды note_off (т.е. после «отпускания» клавиши клавиатуры), в то время как vsu work loop.wav и engine flight loop.wav требуют удержания клавиши.
Общий вид таймлайна представлен на иллюстрации по фиг. 3 и 4.
Отмеченные события, между 5 и 6 отметками таймлайна в миди прописана информация контроллера Pitch, позволяющая менять «частоту оборотов двигателя», воздействующая только на engine flight loop.wav. На слух это звучит как плавное повышение/понижение высоты.
Представленную модель миди-файла сценария mi playtest.mid можно как загрузить и проиграть непосредственно в Sforzando, так и загрузить в любую поддерживающую миди DAW (в частности, Reaper). Sforzando в этом случае подключается к DAW как VSTi инструмент. В изобретении удалось достичь увеличения возможностей формата SFZ и что обязательно необходимо иметь в создаваемом сэмплере:
В первую очередь - отсутствие зависимости запуска сэмпла от состояния (запущен - не запущен) другого сэмпла. В частности, мы имеем, к примеру, последовательность: запуск ВСУ - рабочий режим ВСУ - выключение ВСУ. Сэмпл «ВСУ в рабочем режиме» в итоге запускается миди-командой, поставленной точно в момент окончания проигрывания сэмпла «Запуск ВСУ». Все эти три сэмпла запускаются по автоматическому сценарию:
Команда, запуск проигрывания сэмпла «Запуск ВСУ»
В момент окончания сэмпла «Запуск ВСУ» автоматически запускается сэмпл «ВСУ в рабочем режиме» в закольцованном режиме, что позволяет «ВСУ» проигрываться неограниченно по времени
В момент получения команды «Выключение ВСУ» автоматически выключается закольцованный сэмпл «ВСУ в рабочем режиме», и запускается на однократной проигрывание сэмпл «Выключение ВСУ».
Второе - реализуется «вертикальная» синхронизация сэмплов. Т.е. возможность запускать (и останавливать) несколько сэмплов в один момент времени. Эти сэмплы должны воспроизводится синхронно с «двигателями», но при этом быть независимыми от них. Это вызвано необходимостью применять эффекты повышения/понижения тона только для «двигателей», независимо от остальных элементов, необходимостью подачи независимого баланса громкости разных элементов на разные фрагменты акустической системы и т.д.
В системе предусмотрена возможность поочередной (или рандомной) замены закольцованного сэмпла на аналогичный. Т.е. в идеале мы имеем не один N-секундный сэмпл, проигрывающийся по кругу, а два или более похожих сэмпла проигрывающихся друг за другом.
В системе предусмотрена возможность моделировать сигналы и распределять их поканально, в особенности связанных с нестандартными режимами работы ВС (резкое прекращение запуска систем, внештатные и аварийные ситуации и т.п.) которые потребуют отдельной проработки сценариев, подготовки отдельных сэмплов и режимов работы сэмплера. Система ввода-вывода основных команд на примере авиационного тренажера вертолета. Управление сэмплером при помощи MIDI-команд является традиционным решением. В нашем случае применения формата (ATSS/P) количество генерируемых команд с избытком хватит для решения рабочих задач, возможность подключения протокола OSC позволяет использовать удаленное управление комплексом (ATSS/P), через ethernet с практически любого устройства.
Таким образом, в рамках настоящего изобретения реализуется способ имитации и воспроизведения авиационного шума для авиатренажеров. Этот способ заключается в извлечении из библиотеки виброакустических записей авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации шумовых или звуковых фрагментов в виде сэмплов, каждый из которых закреплен за своей миди-нотой, соответствующей фортепианной клавиатуре от ноты ДО первой октавы до ноты ДО третьей октавы, и передаче указанных сэмплов в независимом друг от друга виде через миди-секвенсор в соответствии с миди-сценарием, устанавливающим время запуска каждого сэмпла на физические выходы системы воспроизведения, соответствующее времени начала работы узлов и агрегатов носителя авиационного шума или звуков и технического шума и вибрации.
Т.е. получаем такую схему: команды, получаемые с блока управления, конвертируются в MIDI-команды. управляющие сэмплером, который, в свою очередь, генерирует аудиосигналы, пропорционально подающиеся сначала в программные каналы ASIO-драйвера аудиоинтерфейса, который, в свою очередь, передает их на физические выходы системы воспроизведения.
Распределение сформированных аудиопотоков по локализованным каналом согласно азимуту источника шума происходит следующим образом (фиг. 5). Все сэмплы представлены в виде двухканальных стереофайлов. Каждый из этих файлов при проигрывании отправляется в заданной пропорции на каналы-шины, в свою очередь непосредственно имеющие выход на программные выходы драйвера аудиоинтерфейса (ATSS/P). На практике используются следующие каналы вывода:
1. Front Left Speaker
2. Front Right Speaker
3. Central Speaker
4. Low Frequency Effects (LFE)
5. Back Left Speaker
6. Back Right Speaker
Дополнительно используются два боковых канала
7. Side Left Speaker
8. Side Right Speaker
В итоге, внутри сэмплера получаем следующие пять шин-каналов:
1. Front Left - Front Right
2. Central
3. LFE
4. Back Left - Back Right
5. Side Left - Side Right
В общем случае многоканальная виброакустическая система имитации и воспроизведения авиационных шумов (фиг. 6 и 8) для авиатренажеров (фиг. 9) содержит фронтальные громкоговорители, центральный 1 (BS) из которых расположен между двумя другими 2 и 3 (RS и LS) и напротив места 4 размещения слушателя, при этом векторы звукового излучения каждого фронтального громкоговорителя направлены в место 4 размещения слушателя и размещены в плоскости 5 (фиг. 7), проходящей через уши слушателя.
Система также имеет тыльные громкоговорители:
- центральный 6 (С) из которых расположен на оси 7, проходящей через место 4 размещения слушателя и напротив расположенного во фронтальной зоне центрального громкоговорителя 1 (BS), который выполнен с возможностью излучения низкочастотного излучения;
- два других громкоговорителя 8 и 9 (R и L) выполнены с возможностью излучения виброакустического сигнала каждый и в тыльной зоне расположены по бокам центрального громкоговорителя 6 с направлением вектора виброакустического излучения под углом в 30° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон;
- два низкочастотных громкоговорителя 10 и 11 (RH и LH) в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под углом в 45° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон и подняты вверх под углом в 45°;
- два боковых низкочастотных громкоговорителя 12 и 13 (RW и LW) в тыльной зоне расположены каждый с направлением вектора звукового излучения под углом в 55° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон;
- два громкоговорителя во фронтальной зоне, расположенные по бокам от центрального громкоговорителя в этой зоне, установлены по отношению к центральному громкоговорителю 6 в тыльной зоне с направлением вектора звукового излучения под углом в 120° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон.
Кроме того, в системе могут присутствовать два громкоговорителя 14 и 15 (RSUB и LSUB), расположенные так, что вектор звукового излучения каждого их них направлен по прямой, проходящей через уши слушателя. Один из громкоговорителей расположен со стороны одного уха слушателя, а другой - со стороны другого уха слушателя. По отношению к центральному громкоговорителю в тыльной зоне эти громкоговорители 14 и 15 установлены по отношению к центральному громкоговорителю 6 в тыльной зоне с направлением вектора звукового излучения под углом в 120° к оси, проходящей через центральные громкоговорители фронтальной и тыльной зон.
Схема поканального создания азимутального пространственного акустического поля высокой адекватности в полном соответствии АЧХ референтному сигналу представлена на фиг. 6. По графику азимутального направления директории вектора звуковой волны видно, что 0° - это тыльная сторона расположения слушателя, в соответствии с азимутом расположения акустической системы и ее составляющих. Посредством тыльно озвученной схемы мы создаем высоконаправленную директрису вектора излучения каждого динамика (источника звука), которое соответствует изначальному уровню АЧХ референтного сигнала, поступающего из системы ИАК (фиг. 8). При этом направление и плоскость прохождения звуковых векторов четко располагается в расчетной звуковой плоскости.
Посредством создания программы двусторонней обратной связи для корректировки воспроизведенной суммы всех сигналов относительно формата данных ATSS/R в полном соответствии АЧХ референтных сигналов, включенного в цепь прохождения сигнала от АПК «тренажера», до акустической системы тренажерного комплекса.
Разработка новой многоканальной схемы озвучивания акустического объема кабины воздушного судна производится с учетом расположения в ней пилотов (фиг. 7). Расчетная схема азимутального направления установки источников звука создана посредством объемного моделирования акустической среды с использованием программного обеспечения EASE 4.3 Speaker Lab. Общая принципиальная схема взаиморасположения источников звука представлена на фиг. 6. Представленная на фиг. 6 схема демонстрирует уникальность построения источников звука относительно слушателя.
Источники звука - L; С; R; Lw; Rw; LH; RH - расположены в тыльной стороне от слушателя. Вибродинамики и низкочастотный канал.
Источники звука - L; R, расположены в соответствии с азимутом воздействия виброакустической нагрузки.
Источники звука - Ls; Rs; Bs, располагаются в передней полусфере от пилота. Как видно из вышеприведенных данных, такая схема воспроизведения акустического пространства не применяется в вышеприведенных звуковых прототипах и не является заимствованной. Посредством расчетного расположения акустической системы и ее составляющих мы создаем высоконаправленную директрису вектора излучения каждого динамика (источника звука), которое соответствует эталонному звуковому и вибрационному сигналу АЧХ референтного сигнала, нового цифрового формата ATSS/P, поступающего из аппаратного комплекса.
В свою очередь, разработанная многоканальная акустическая схема, содержащая эквивалентно к озвучиваемой зоне поканально расположенные акустические элементы, в виде многополосных источников звука «N» (колонок), содержащих «U» каналов обработки звука и коммутации Исполнительный Акустический Комплекс (ИАК), включенные последовательно в цепь прохождения сигнала от АПК тренажера до акустической системы.
Посредством создания «сервисного» программно-аппаратного модуля диагностики неисправностей, регламентного тестирования и обновления производится обработка данных работы устройства его тестирования.
Изобретение позволяет повысить уровень достоверности и адекватности авиа-космических тренажеров за счет повышения точности воспроизведения акустической среды по критериям объективной и субъективной квалификационной оценки QTG по его техническим параметрам, согласно Российским и международным стандартам: ГОСТ 20296-81, СН 2.2.4/2.1.8.562-96 FAA; EASA; ICAO 9625/3: «Нормы годности авиационных тренажеров для подготовки авиаперсонала на воздушном судне»; Требования к пакету исходных данных для проектирования авиационного тренажера вертолетов в соответствии с RAeS, 2004
- Точность и соответствие пространственной ориентации выходного сигнала по отношению к реальному источнику звука на ВС;
- Стабильность и полное соответствие АЧХ суммы воспроизводимых поканальных сигналов к опорному референтному сигналу;
- Создание пространственно-достоверного акустического поля с формированием обратной связи и контроля по параметрам воспроизводимого сигнала (в контрольных точках) и аналогичного сигнала из Библиотеки Исходных данных (в этих же точках) кабины ВС.
- Сохранения во времени стабильности и корректности выходных параметров акустического сигнала пакета исходных данных в процессе многолетней эксплуатации акустической системы в тренажере;
- Повысить разборчивость чтения акустической информации, включая специальные сигналы аэродромного и речевого оповещения.
- Совмещение вибрационного канала с акустическим, в едином формате базы данных, записанных исходных метрологических сигналов непосредственно с реального воздушного судна.
- Уменьшить затратную часть исполнительного механизма за счет российского метода и решения по озвучиванию авиационных тренажеров.
- Быстрое внедрение данного изобретения в промышленное производство посредством полностью российских аналогов элементной базы конструкции изобретения.
- Стабильность санитарных параметров, определяющих звуковое давление и частотный спектр при работе экипажей в кабине воздушного судна.
- Синхронизировать материальную часть авиационных тренажеров с программным обеспечением и методами квалификационной оценки акустики авиатренажера с зарубежными требованиями и нормами.