一种基于数字网络音频的D级飞行训练模拟器音响系统的制作方法

一种基于数字网络音频的d级飞行训练模拟器音响系统
技术领域
1.本发明属于飞行训练模拟器音响系统领域，具体涉及一种基于数字网络音频的d级飞行训练模拟器音响系统。


背景技术：

2.飞行训练模拟器是一种高级的虚拟现实系统，听觉的空间特性决定了真正的飞行沉浸体验，尤其是来自于座舱内部高中低音频对象在空间内全方位的还原程度，极大的影响着模拟飞行效果。
3.目前飞行训练模拟器的音响系统，达到d级标准的少之又少，成本高昂，且多采用模拟音频技术。而数字化音频技术是将模拟信号进行数字编码(ad转换)后进行压缩、储存、编辑、传输，最终经数模转换器再转换成模拟信号(da转换)，经均衡、放大后输出到扬声系统。其技术优势是：数字音频传输过程中仅仅是编码的传输和转换，音频信号无损耗，与模拟技术相比，低失真、频响宽、动态好、信噪比高，可达到更理想的hi-fi效果；与模拟技术相比,数字化音频技术能方便进行储存、编辑、传输；数字音频接口是在板级或板间传输数字音频信号的方式，相比于模拟接口，数字音频接口抗干扰能力更强，硬件设计简单。
4.现阶段，数字音频系统多用于会议室、礼堂、多功能厅，并未在飞行训练模拟器上使用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于数字网络音频的d级飞行训练模拟器音响系统，是一种硬件设计简单，软件操作简便，适用性、可扩展性强的符合d级模拟器音响系统需求的音频解决方案。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
7.一种基于数字网络音频的d级飞行训练模拟器音响系统，
8.包括座舱声音模拟模块、机内通话和告警音模拟模块和qtg测试模块，所述座舱声音模拟模块用于模拟座舱内飞行员能听到的各种声音，所述机内通话和告警音模拟模块用于飞行员间、教官、监督员间的语音通信，及接收教员台的告警音、提示音信息、导航指令信息，所述qtg测试模块用于飞行模拟器d级音响系统测试；
9.所述座舱声音模拟模块包括音频计算机、网络数字音频接口机、机房poe交换机、上舱poe交换机、音频处理器、8通道功放、平板音箱、重低音音箱，所述音频计算机输出的音频信号通过网络数字音频接口机转换为数字信号，传输给机房poe交换机，再经上舱poe交换机传输给音频处理器，转为模拟音频，再经由8通道功放，由平板音箱输出，重低音音箱内置功放，低频信号直接由音频处理器传输至重低音音箱输出；
10.所述机内通话和告警音模拟模块包括告警音计算机、告警音计算机交换机、音频处理器、放大器、教官耳麦、监督员耳麦、第一飞行员头盔、第二飞行员头盔，所述告警音计算机用于告警音、提示音模拟及机内通话录音、头盔、耳麦音量调节，所述告警音计算机通
过告警音计算机交换机连接音频处理器，所述放大器连接音频处理器和第一飞行员头盔、第二飞行员头盔、教官耳麦、监督员耳麦，用于语音信号的放大。
11.进一步地，所述音频处理器用于对网络指定的多路输入/输出进行dsp处理；多个网络配置的数字输入音频经过dsp处理后回送到网络指定的数字输出，该音频处理器内置反馈抑制、自动混音、矩阵混音、均衡器、分配器、压缩器相关的dsp功能，支持网络音频功能扩展，能够通过usb免驱连接软件控制；也能够通过rs232、tcp/ip信号接口连接中控远程控制。
12.进一步地，所述平板音箱采用dmls(distributed-mode)技术，工作于分布振动模式，180度平面声波、超过传统音箱3倍的声场均匀覆盖；7个平板音箱安装在座舱外表面，分别安装在座舱前方、前排座椅前方左右侧、后排座椅前方左右侧、前后排座椅座舱顶部，1个重低音音箱重低音音箱位于后舱座椅下方。
13.进一步地，所述机房poe交换机和上舱poe交换机为以太网提供无缝连接，同时具备poe功能，作为以太网供电设备。
14.进一步地，所述音频计算机，用于d级飞行训练模拟器三维声实时渲染模拟，根据飞行训练模拟器飞行状态、环境特性，实时生成飞行员在飞行过程中能听到的声音，通过音频处理器处理，座舱空间音箱还原，模拟出逼真的符合d级模拟器标准的飞行音效系统。
15.进一步地，座舱声音模拟模块中音频计算机、网络数字音频接口机连接线为音频线，一端为莲花，另一端为裸线；网络数字音频接口机、机房poe交换机连接线为七类网线；机房poe交换机、上舱poe交换机连接线为七类网线；上舱poe交换机、音频处理器连接线为七类网线；音频处理器、功放连接线为音频线裸线；功放、平板音箱连接线为音箱线裸线；音频处理器、重低音音箱连接线为音箱线裸线；
16.机内通话、录音和告警音模拟模块中，告警音计算机、告警音计算机交换机连接线为七类网线；告警音计算机交换机、服务器连接线为七类网线；告警音计算机、音频处理器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器、放大器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器、放大器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器与教官耳麦、监督员耳麦、飞行员头盔连接线为3.5mm母头对裸线，
17.上述的裸线端接口均为凤凰端子，音频线或音箱线的裸线端均采用非平衡输入输出的方法接入，
18.设备的输入和输出都是平衡的，接线方式如下：
19.输入部分：
20.(1)当输入音源为平衡信号时，音源的输出的正( )、负(-)、地(g)分别对应设备input的正( )、负(-)、地(g)；
21.(2)当输入音源为非平衡信号时，音源的输出的正( )、地(g)分别对应设备input的正( )、负(-)；
22.输出部分：
23.(1)当下游设备为平衡输入时，下游设备的输入正( )、负(-)、地(g)分别对应设备output的正( )、负(一)、地(g)；
24.(2)当下游设备为非平衡输入时，下游设备的输入正( )、地(g)分别对应设备output的正( )、地(g)。
25.进一步地，所述qtg测试模块包括传声器、数据采集仪和笔记本，传声器、数据采集仪连接线为单屏蔽同轴信号线，数据采集仪、笔记本连接线为七类网线，所述传声器、数据采集仪为d级飞行训练模拟器音频qtg系统测试设备，用于测试、记录飞行过程中的声音振动状态，便于与真实声音状态对比，结合qtg数据处理软件测试结果，使得模拟出的音频在d级模拟器测试容差范围内。
26.进一步地，所述网络数字音频接口机用于连接音频计算机7.1声卡和机房poe交换机，能够在网络周围配置和路由音频，能传输高质量、无压缩的音频。
27.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1)本发明的基于数字网络的音频系统，没有拓扑的限制和安装的复杂性，结构灵活多变，接口简单，仅通过网线就能达成各设备间的连接；2)本发明的基于数字网络的音频系统，为点对点的音频系统连接提供了一种低延时、高精度和低成本的解决方案；3)本发明的基于数字网络的音频系统，可由音频信号在以太网中任意传送，而且在这个过程中能保持信号的精确还原；4)本发明的基于数字网络的音频系统，允许在一个以太网线上同时发送和接收许多的音频通道；5)本发明的基于数字网络的音频系统，采样率最高支持192khz，单一链路上最多支持1024个通道的双向传输，最低延迟可以达到83.3μs；6)本发明的基于数字网络的音频系统，遵循以太网的协议标准，通用性和兼容性好。
附图说明
28.图1为传统的音频信号链路图。
29.图2为数字音频信号链路图。
30.图3为d级飞行训练模拟器数字网络音响系统架构图。
31.图4为音频信号传输凤凰端子平衡输入/输出设备接口图。
32.图5为音频计算机与接口机的端口连接图。
33.图6为接口机与交换机(机房)的端口连接图。
34.图7为交换机(机房)与交换机(上舱)的端口连接图。
35.图8为交换机(上舱)与音频处理器的端口连接图。
36.图9为音频处理器与功放的端口连接示意图。
37.图10为功放与平板音箱的端口连接示意图。
38.图11为处理器与重低音音箱的端口连接示意图。
39.图12为网络数字音频接口机内置软件路由设置图。
40.图13为7.1音箱安装定位图。
41.图14为机内通话仿真与录音连接图。
42.图15为飞行员、教官、监督员间音量调节逻辑流程图。
43.图16为qtg测试模块舱内安装图。
44.图17为qtg测试模块连接图。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
46.图1为传统的音频信号链路图，在传统的音频电路中有麦克风、前置放大器、模/数转换器adc、数/模转换器dac、输出放大器，以及扬声器，它们之间使用模拟信号连接。
47.图2为数字音频信号链路图，模拟电路逐渐被推到链路的两端(集成到设备内部)，信号链中各集成电路间采用数字接口形式，不必走模拟音频信号，减少了信号链中的器件数量。
48.图3为d级飞行训练模拟器数字网络音响系统架构图，该图是d级飞行训练模拟器音响系统运用数字音频网络实现的一个实例。该数字网络音频系统包括音频处理器、poe交换机、头盔、耳麦、传声器、数据采集仪、平板音箱、重低音音箱、音频计算机、告警音计算机、网络数字音频接口机、功放，以满足d级模拟器音响系统所需的主观测试和客观测试需求。上图中箭头指向为信号流向。其中，左侧部分为座舱声音模拟模块，用于模拟座舱内飞行员能听到的各种声音，如发动机声、旋翼声、降水声；中间部分为机内通话和告警音模拟模块，用于飞行员间、教官、监督员间的语音通信，及接收教员台的告警音、提示音信息、导航指令信息；右侧部分为qtg测试模块，用于飞行模拟器d级音响系统测试。
49.所述音频处理器用于对网络指定的多路输入/输出进行dsp处理；多个网络配置的数字输入音频经过dsp处理后回送到网络指定的数字输出。该音频处理器内置反馈抑制，自动混音，矩阵混音，均衡器，分配器，压缩器相关的dsp功能，支持网络音频功能扩展，可通过usb免驱连接软件控制；也可通过rs232、tcp/ip信号接口连接中控远程控制。该处理器解决了网络音频只有路由没有dsp处理的问题。该音频处理器的dsp处理能力强大，能够实现多个输入/输出的分量混合，音频控制。可配置使用，也可实时控制。其内置的设备管理软件能对一台或多台机器的各参数进行快速交互，可将机器各配置参数储存到磁盘文件中，为实现多台机器或不同使用场所的预置场景配置及参数的切换与还原。
50.座舱声音模拟模块采用数字音频网络的方式进行远距离音频传输，以减少声音的失真和信号损失。音频计算机输出的音频信号先通过接口机转换为数字信号，传输给机房poe交换机，再经上舱的poe交换机传输给音频处理器，转为模拟音频，再经由功放，由平板音箱输出。重低音音箱内置功放，低频信号直接由音频处理器传输至重低音音箱输出。
51.所述poe交换机为以太网提供无缝连接，同时具备poe功能，作为以太网供电设备；安装方便，只需要安装和支持一条电缆，简单而且节省空间，并且设备可随意移动；节约成本，带电设备需要安装在难以部署ac电源的地方，poe使其不再需要昂贵电源和安装电源所耗费的时间，节省了费用和时间；安全，poe供电端设备只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网电缆才会有电压存在，因而消除了线路上漏电的风险；使用简单，像数据传输一样，poe可以通过使用简单网管协议(snmp)来监督和控制该设备。用户可以自动、安全地在网络上混用原有设备和poe设备，这些设备能够与现有以太网电缆共存，poe可简化射频测试任务，接入点能够被轻松地移动和接入；集中供电，一个单一的ups就可以提供相关所有设备在断电时的供电；使网络设备便于管理，当远端设备与网络相连后，才能够远程控制、重配或重设。
52.所述平板音箱采用dmls(distributed-mode)技术，工作于分布振动模式，180度平面声波、超过传统音箱3倍的声场均匀覆盖；采用独有的accu-mode(精确模式
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平滑的全频率响应)、line-source(线声源
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可控的高频指向性)、balance-drive(平衡驱动
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拓展低频、超薄)等技术；超薄，音质通透，节省空间，能够完全融入表面结构，易于安装在座舱
外表面。7个平板音箱分别安装在。重低音音箱由于内置了功放电路，不必考虑与放大器匹配的问题，同时也便于用较低电平的音频信号直接驱动，且失真小。
53.座舱声音模拟模块，音频计算机、接口机连接线为音频线，一端为莲花，另一端为裸线；接口机、机房交换机连接线为七类网线；机房交换机、上舱交换机连接线为七类网线；上舱交换机、音频处理器连接线为七类网线；音频处理器、功放连接线为音频线裸线；功放、平板音箱连接线为音箱线裸线；音频处理器、重低音音箱连接线为音箱线裸线。
54.机内通话、录音和告警音模拟模块中，告警音计算机、交换机连接线为七类网线；交换机、服务器连接线为七类网线；告警音计算机、音频处理器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器、放大器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器、放大器连接线为3.5mm公对裸线音频线；音频处理器与教官耳麦、监督员耳麦、飞行员头盔连接线为3.5mm母头对裸线。
55.qtg测试模块，传声器、数据采集仪连接线为单屏蔽同轴信号线，数据采集仪、笔记本连接线为七类网线。所述传声器、数据采集仪为d级飞行训练模拟器音频qtg系统测试设备，测试、记录飞行过程中的声音振动状态，便于与真实声音状态对比，结合qtg数据处理软件测试结果，使得模拟出的音频在d级模拟器测试容差范围内。
56.音频计算机内置的声卡为essence stx ii 7.1，其信号输出方式为非平衡输出。poe交换机为eajax poe8 ，接口机为dsp0404p，音频处理器为dsp1616dv2，功放为mp-a80v，重低音音箱为os-12plus，放大器为tinsea，音箱为airon。所述网络数字音频接口机用于连接音频计算机7.1声卡和机房poe交换机，可在网络周围配置和路由音频，能传输高质量、无压缩的音频，几乎没有延迟，是最经济、通用、易用的音频网络解决方案，可从简单的安装扩展到运行数千个音频通道的大容量网络。可用一根价格合理的以太网电缆代替多根模拟或多芯电缆，安全可靠地传输高质量多声道音频。借助内置软件，网络就可任意扩展和重新配置。
57.上述的裸线端接口均为凤凰端子，音频线或音箱线的裸线端均采用非平衡输入输出的方法接入。裸线端口处均使用强绝缘保护热缩管。
58.图4为音频信号传输凤凰端子平衡输入/输出设备接口图，设备的输入和输出都是平衡的，接线方式如下：
59.输入部分：
60.(1)当输入音源为平衡信号时，音源的输出的正( )、负(-)、地(g)分别对应设备input的正( )、负(-)、地(g)如图
①
；
61.(2)当输入音源为非平衡信号时，音源的输出的正( )、地(g)分别对应设备input的正( )、负(-)如图
②
。
62.输出部分：
63.(1)当下游设备为平衡输入时，下游设备的输入正( )、负(-)、地(g)分别对应设备output的正( )、负(一)、地(g)如图
③
；
64.(2)当下游设备为非平衡输入时，下游设备的输入正( )、地(g)分别对应设备output的正( )、地(g)如图
④
。
65.图5为音频计算机与接口机的端口连接图。7.1声卡上的side r、side l、center、woofer、rear r、rear l、front r、front l接口分别接入2台接口机的8个凤凰端子输入端
input，采用非平衡方式接入。
66.图6为接口机与交换机(机房)的端口连接图。接口机1的pri端口用七类网线接入机房交换机的5号输入，接口机2的pri端口用七类网线接入机房交换机的6号输入。
67.图7为交换机(机房)与交换机(上舱)的端口连接图。机房交换机的uplink端口用七类网线接入上舱交换机的5号输入。
68.图8为交换机(上舱)与音频处理器的端口连接图。上舱交换机的6号端口用七类网线接入音频处理器的primary端口。
69.图9为音频处理器与功放的端口连接示意图。音频处理器的凤凰端子输出端1-7output 7通道信号分别接入功放的1-7input 7通道输入。
70.图10为功放与平板音箱的端口连接示意图。功放的凤凰端子输出端1-7output 7通道信号分别接7个平板音箱。
71.图11为处理器与重低音音箱的端口连接示意图。音频处理器凤凰端子输出端的1通道输出信号接1个重低音音箱。
72.图12为网络数字音频接口机内置软件路由设置图，产品型号为dsp0404p，在使用时，当支持数字网络音频的设备连接到网络后几秒钟内，该软件将自动发现并显示该设备，允许自由配置频道和路由音频，选择接收通道和发射通道，即可在这些通道之间创建音频路由。再通过修改采样率设置、ip设置、组播配置等，即可完成路由配置。
73.座舱声音模拟模块的设备连接完成后，采用接口机内置软件进行路由配置，指定信号的发送端和接收端。
74.图13为7.1音箱安装定位图。基于飞行模拟器座舱结构位置狭小、空间有限的特点，该7.1音频系统采用7个超薄的平板音箱和1个重低音音箱，平板音箱紧密贴合于座舱外壁，节省空间。7个平板音箱分别位于座舱前方、前排座椅前方左右侧、后排座椅前方左右侧、前后排座椅座舱顶部。1个重低音音箱位于后舱座椅下方。
75.图14为机内通话仿真与录音连接图。机内通话，在通话设备(耳麦、通话器等)与音频处理器间连接放大器，再在音频处理器控制器上借由矩阵混音，控制每路信号的路由(耳麦的输入输出)，即可实现机内通话的模拟功能，可进行前后舱飞行员、教员席、监督员之间的语音通话模拟。
76.录音，用于记录飞行训练时的告警音提示音、对讲语音，并可以根据需要进行回放。结合音频处理器，将声卡(耳机)输出和麦克风输入到音频处理器，再输出到计算机的麦克风，进行麦克风录制，两路信号合为一路信号进行录制，即可实现同时录制告警音、提示音和内部通话音。音频信号的输入输出，经由音频处理器的控制软件进行调节，借由矩阵混音实现。
77.图15为飞行员、教官、监督员间音量调节逻辑流程图。飞行员旋动音量调节旋钮后，通过udp通信发动旋钮id给告警音计算机，告警音计算机接收到旋钮id后，根据id查命令表，得到控制指令，再发送控制指令给音频处理器，由音频处理器执行控制指令，实现飞行员、教官、监督员耳麦的音量调节。指令的接收及响应由音频处理器内置软件实现。
78.图16为qtg测试模块舱内安装图。传声器在2个飞行员座椅后方各放置一个，用于测试2个飞行员位置处的音频特性，以确保满足d级qtg测试。数据采集仪固定在座舱后座椅右侧。数据采集仪、传声器的安装固定，考虑到舱内的振动，采用高弹简易椅套固定。
79.数据采集仪与传声器间用单屏蔽同轴信号线连接。数据采集仪为bk3050-a-060，扩散场传声器为bk 4942-a-021，数据处理软件为bk 8404-ns。数据处理软件内置在笔记本中。
80.图17为qtg测试模块连接图。数据采集仪接入两路传声器信号，分别采集2个飞行员位置处的音频信号，用于qtg测试。
81.该数字音频网络系统采用poe技术，通过网线同时传输数字信号和为相关设备提供直流供电。该音响系统，结合飞行训练模拟器的其它系统，如飞行仿真系统、教研台系统、综合环境仿真系统，构成飞行训练模拟器。
82.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。