飞机发动机噪声模拟合成可听化方法、系统及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种飞机发动机噪声模拟合成可听化方法、系统及装置，属于飞行器技术领域，包括一、读取输入文件；二、对输入文件进行预处理；三、计算宽频噪声每个1/3倍频带的总声压级；四、对经验数据进行短时快速傅立叶变换，分析推导出低频振荡，再利用低频振荡对1/3倍频带声压级的振幅进行调制；五、通过减法合成法来合成飞机的宽频噪声；六、计算每个单音及其谐波的频率和振幅；七、用低频振荡独立调制每个单音的振幅和频率；八、单音噪声合成；九、将飞机的宽频和单音噪声信号进行叠加；步骤十、对合成阶段产生的飞机噪声信号添加与方向相关的增益和绝对时延，以及与扩散损失和大气吸收所对应的时延和增益。

Audionization Method, System and Device for Aircraft Engine Noise Simulation and Synthesis

The invention discloses an audible method, system and device for aircraft engine noise simulation synthesis, which belongs to the field of aircraft technology, including reading input files, preprocessing input files, calculating the total sound pressure level of 1/3 frequency band of broadband noise, and analyzing and deducing low-frequency oscillation by short-time fast Fourier transform of empirical data. Modulate the amplitude of the 1/3-fold band sound pressure level with low frequency oscillation; Fifth, synthesize the broadband noise of the aircraft by subtraction synthesis method; Sixth, calculate the frequency and amplitude of each single tone and its harmonics; Seventh, modulate the amplitude and frequency of each single tone independently with low frequency oscillation; Eighth, synthesize the single tone noise; Ninth, superimpose the broadband and single tone noise signals of the aircraft; Tenth step, synthesize the broadband and single tone noise signals. The aircraft noise signal generated in the synthesis phase adds direction-dependent gain and absolute delay, as well as delay and gain corresponding to diffusion loss and atmospheric absorption.

【技术实现步骤摘要】
飞机发动机噪声模拟合成可听化方法、系统及装置
本专利技术属于飞行器
，尤其涉及一种飞机发动机噪声模拟合成可听化方法、系统及装置。
技术介绍
飞机飞行过程中，发动机和起落架装置是产生噪声的主要来源。而发动机又是不同飞机之间噪声级差异的主要因素。FAA目前针对某些新取证的亚音速喷气飞机和亚音速运输类大型飞机，采用了一个新的噪声标准。这一噪声标准，被称为5阶段噪声标准，适用于所有2017年12月31日之前提交申请的最大取证起飞重量为121,254磅(55,000kg)的新飞机型号设计；或者2020年12月31日之前提交申请的最大取证起飞重量小于121,254磅(55,000kg)的新飞机型号设计。这一改变使得规定的针对新取证飞机的噪声限制值更低且使得针对在美国取证的这类飞机的噪声审定标准与国际审定相关标准保持一致。发展第5阶段噪声标准的大多数的工作队在国际上都是通过ICAO来组织完成的。在2013年2月，CAEP9同意并批准了附件16第一卷的一个修正案，其中包含了在现有的第4章噪声级的基础上在严格度上提高7EPNdB(累积)。一些发达国家和地区已经对第二阶段噪声标准的飞机实施退出机制，并且对不符合第三阶段噪声标准的飞机飞入这些地区加以运行限制。然而，第4阶段噪声标准针对不同的航空器重量在不同的时间提出了相应的严格度要求。第5阶段噪声标准，一架飞机最大飞越、边线和进场噪声级分别减去各自相应的附件16规定的第3阶段最大允许噪声级，所得到的差值为噪声限制裕度，裕度加在一起以后必须超过17EPNdB。为了使我国民用航空器的设计制造满足国际通行的噪声标准，促进我国民族航空工业的健康发展，进一步加强与国际间的交往，需要我们及时根据更新后的噪声审定标准对飞机做相应的噪声适航审定测试，即再审定。然而，现今的噪声审定过程需要飞机按照基准飞行程序进行实际多次飞行，这样便耗费了大量的人力、物力、财力，因此研究飞机发动机噪声模拟合成可听化方法、系统及装置具有重大意义。通过此方法、系统及装置，可以对我国自行研制的“大飞机”和ARJ21飞机等衍生机型进行噪声预测数据模拟合成实现可听化，从而协助完成噪声适航审定的工作，降低噪声审定过程中多次实际飞行的成本。如果要模拟声波从声源到人的双耳的传输过程，则需要对声波进行滤波处理，滤波系统的特性可由系统的频域传递函数完全描述，即头相关传输函数(Head—RelatedTransferFunction，HRTF)。因为声波从声源到人双耳的传输过程是人的生理结构(如头、耳廓以及躯干等)对声波进行综合滤波的结果，所以头相关传输函数是一个关于人的头部、耳廓、躯干等的尺寸和形状和朝向的函数，这些可以被以下量所表示：声源的水平方位角θ、仰角Φ、声源到头中心的距离r、声波的角频率Ω以及具有个性化特征的参量α。西北工业大学对噪声合成方法进行了研究，利用估计和预测得到噪声数据，再根据噪声数据来合成噪声。噪声的合成是基于飞机噪声预测数据的，飞机噪声预测数据并没有包含飞机和发动机在实际运行过程中运行状态的变化或波动，因此不能十分精确的模拟飞机发动机的噪声。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术使人们能够身临其境地感受到飞机低空飞行时的噪声，可协助完成飞机发动机噪声设计及适航符合性验证方面的工作，节省噪声审定过程中飞机按照基准飞行程序进行实际多次飞行的人力、物力、财力，可评估机场附近居民对飞机低空飞行时噪声烦恼度，有利于航空公司为飞机选择装配发动机机型进行选型购买指导，使得飞机噪声达到同种机型中最小。本专利技术的第一目的是提供一种飞机发动机噪声模拟合成可听化方法，包括：步骤一、读取输入文件，输入文件包含飞机与噪声相关的部件的信息、数字信号处理(DigitalSignalProcessor，DSP)参数、低频振荡(low-frequencyoscillator,LFO)(<20Hz)参数、飞机航迹数据和听者位置；步骤二、对输入的文件进行预处理。读取输入文件之后，该程序将以一个双缓冲方案运行，该方案使用在时间缓冲区i-1上执行的准备链，以及在时间缓冲区i上执行的合成/混合/输出链。每个缓冲区的样本个数为2n个，通常为512个样本。以44.1kHz的音频采样率进行处理，执行完一个缓冲区所需时间为11.6ms(512/44100s)，当两个链都完成时，时钟会前调，再次执行准备链；步骤三、计算宽频噪声每个1/3倍频带的总声压级；根据飞机噪声预测算法计算飞机源噪声数据，其中飞机噪声预测算法是由发动机部件噪声预测算法所构成，先计算出每个发动机部件的噪声数据和机体噪声数据，再将这些数据叠加，最后得到飞机总的噪声数据。噪声声压级是关于噪声频率和指向性的函数，所计算出的飞机源噪声数据是1/3倍频程频谱形式；步骤四、由上述方法计算出的噪声频谱是定常的，缺乏在真实近场源噪声记录中发现的噪声信号的时域变化。通过对同型号飞机或发动机的实测噪声数据，既经验数据进行分析，表明飞机噪声在平均声压级附近存在低频振荡(<20hz)。对经验数据进行短时快速傅立叶变换(FastFourierTransformAlgorithm,FFT)，分析推导出低频振荡，再利用低频振荡对1/3倍频带声压级的振幅进行调制。步骤五、通过减法合成法来合成飞机的宽频噪声。根据飞机宽频噪声频谱设计滤波器，通过滤波器对白噪声进行滤波来实现飞机宽频噪声的合成。步骤六、计算每个单音及其谐波的频率和振幅。步骤七、在对单音噪声进行合成时，用低频振荡独立调制每个单音的振幅和频率。步骤八、单音噪声合成。通过加法合成法来合成飞机的单音噪声，既根据飞机单音噪声频谱将飞机单音噪声信号分解为一定数量的正弦信号，通过合成每个这样的正弦信号再对它们进行叠加，来合成飞机的单音噪声。与飞机的宽带噪声合成不同，单音合成是在时域内进行的。步骤九、通过对飞机噪声信号添加增益的方法，将飞机的宽频和单音噪声信号进行叠加。步骤十、对合成阶段产生的飞机噪声信号添加与方向相关的增益和绝对时延，以及与扩散损失和大气吸收所对应的时延和增益，并用扩散损失和大气吸收所对应的滤波器对其进行滤波，在听者模块中，对噪声信号添加与双耳可听化相关的时间延迟和增益，并用与双耳可听化相关的滤波器对飞机噪声信号进行滤波，以模拟出空间听觉的效果，增强听者的沉浸感。本专利技术的第二目的是提供一种飞机发动机噪声模拟合成可听化系统，其特征在于：包括：信号输入模块、模拟模块、增益时延模块和输出模块；其中：所述信号输入模块读取输入文件，上述输入文件包括飞机与噪声相关部件的信息、数字信号处理参数、低频振荡参数、飞机航迹数据和听者位置；所述模拟模块执行如下步骤：S1、对上述输入文件进行预处理；具体为：读取输入文件之后，该程序将以一个双缓冲方案运行，该双缓冲方案使用在时间缓冲区i-1上执行的准备链，以及在时间缓冲区i上执行的合成/混合/输出链；每个缓冲区的样本个数为2n个；以44.1kHz的音频采样率进行处理，执行完一个缓冲区所需时间为11.6ms，当两个链都完成时，时钟会前调，再次执行准备链；S2、计算宽频噪声每个1/3倍频带的总声压级；S3、通过对同型号飞机或发动机的经验数据进行分析，表明飞机噪声在平均声压级附近存在低频振荡；对经验数据进行短时快速傅立叶变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞机发动机噪声模拟合成可听化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、读取输入文件，上述输入文件包括飞机与噪声相关部件的信息、数字信号处理参数、低频振荡参数、飞机航迹数据和听者位置；步骤二、对上述输入文件进行预处理；具体为：读取输入文件之后，该程序将以一个双缓冲方案运行，该双缓冲方案使用在时间缓冲区i‑1上执行的准备链，以及在时间缓冲区i上执行的合成/混合/输出链；每个缓冲区的样本个数为2

【技术特征摘要】
1.一种飞机发动机噪声模拟合成可听化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、读取输入文件，上述输入文件包括飞机与噪声相关部件的信息、数字信号处理参数、低频振荡参数、飞机航迹数据和听者位置；步骤二、对上述输入文件进行预处理；具体为：读取输入文件之后，该程序将以一个双缓冲方案运行，该双缓冲方案使用在时间缓冲区i-1上执行的准备链，以及在时间缓冲区i上执行的合成/混合/输出链；每个缓冲区的样本个数为2n个；以44.1kHz的音频采样率进行处理，执行完一个缓冲区所需时间为11.6ms，当两个链都完成时，时钟会前调，再次执行准备链；步骤三、计算宽频噪声每个1/3倍频带的总声压级；步骤四、通过对同型号飞机或发动机的经验数据进行分析，表明飞机噪声在平均声压级附近存在低频振荡；对经验数据进行短时快速傅立叶变换，分析推导出低频振荡，再利用低频振荡对1/3倍频带声压级的振幅进行调制；步骤五、通过减法合成法来合成飞机的宽频噪声；具体为：根据飞机宽频噪声频谱设计滤波器，通过滤波器对白噪声进行滤波，进而实现飞机宽频噪声的合成；步骤六、计算每个单音及其谐波的频率和振幅；步骤七、单音噪声合成；通过加法合成法来合成飞机的单音噪声，即根据飞机单音噪声频谱将飞机单音噪声信号分解为一定数量的正弦信号，通过合成每个正弦信号再对这些正弦信号进行叠加，来合成飞机的单音噪声，同时，用低频振荡独立调制每个单音的振幅和频率；上述单音噪声合成是在时域内进行的；步骤八、通过对飞机噪声信号添加增益的方法，将飞机的宽频和单音噪声信号进行叠加；步骤九、对合成阶段产生的飞机噪声信号添加与方向相关的增益和绝对时延，以及与扩散损失和大气吸收所对应的时延和增益，并用扩散损失和大气吸收所对应的滤波器对合成阶段产生的飞机噪声信号进行滤波，最后对噪声信号添加与双耳可听化相关的时间延迟和增益，并用与双耳可听化相关的滤波器对飞机噪声信号进行滤波，以模拟出空间听觉的效果。2.根据权利要求1所述的飞机发动机噪声模拟合成可听化方法，其特征在于，每个缓冲区的样本个数为512个。3.根据权利要求1或2所述的飞机发动机噪声模拟合成可听化方法，其特征在于，所述步骤三具体为：根据飞机噪声预测算法计算飞机源噪声数据，其中，所述飞机噪声预测算法是由发动机部件噪声预测算法所构成，机体噪声在飞机噪声中占比很小，不需考虑。先计算出每个发动机部件的噪声数据，再将每个发动机部件的噪声数据叠加，得到飞机总的噪声数据；噪声声压级是关于噪声频率和指向性的函数，所计算出的飞机源噪声数据是1/3倍频程频谱形式。4.一种飞机发动机噪声模拟合成可听化系统，其特征在于：包括：信号输入模块、模拟模块、增益时延模块和输出模块；其中：所述信号输入模块读取输入文件，上述输入文件包括飞机与噪声相关部件的信息、数字信号处理参数、低频振荡参数、飞机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青，闫国华，田硕，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津,12