1.引言
飞行模拟器作为高度仿真的飞行训练设备，能够模拟真实发飞行环境和各种飞行状况，在飞行员训练上得到了广泛应用[1]。音效还原系统是飞行模拟器中至关重要的组成系统之一，主要用于模拟重要环境音，警告音，声纳音等飞行员可以在驾驶舱中听到的声音。本文基于虚幻引擎5设计一套音效还原软件，为飞行员提供关键的听觉反馈，用于提升飞行仿真的逼真度，增强飞行员的沉浸感。
2.设计方案 
图1 音效还原软件工作流程
音效还原软件的主要工作流程为仿真计算机接受飞行员操作产生的飞行控制信息和当前状态下飞行状态信息，从音频数据库中提取相应的音频源，通过音效还原软件处理后进行播放，产生与真实飞行环境近似的座舱环境声音和告警音。声源模拟包括但不限于发动机、气动噪声、行驶噪声、雨声、雷声等。音效还原软件工作流程如图1所示。
音效系统作为飞行模拟系统的主要组成部分，直接影响到仿真的逼真度和飞行员的沉浸感。音效还原软件的开发需要经过声源采集、声音合成、音效添加、音效映射四个步骤。在整个开发过程中，声源采集和声音合成是最费时费力的环节。对于优秀的声源采集工作，通常需要使用专业的录音设备来记录飞机在不同工作状态下的大量声音数据，并通过相应的信号处理方法提取声源[2]。限于成本与技术的限制，本文不进行声源采集和声音合成工作，选择采用网上已有的音效资源进行开发。音效添加和音效映射环节可以在虚幻引擎中得到很好的解决。虚幻引擎仅支持导入wav格式音频（其他格式音频可以通过格式工厂改为wav格式）。针对音效添加，本文使用两种解决方案：第一种方法是使用Ambient Sound物体，将音效资源添加到虚化引擎关卡中时，会创建使用该音效资源的Ambient Sound Actor，相当于直接添加了一个声音播放器。通常，Ambient Sound Actor遵循现实世界的规律，距离声音越近，可以听到的声音越大，并且可以设置为是否自动激活和是否循环播放等多个属性。第二种方法是给其他物体添加Audio组件来播放，在虚幻引擎的BluePrint中添加Audio组件，可以按逻辑设置暂停和播放，并且方便建立音效和事件或者物体的映射关系。拟定设计方案如下：
（1）添加无映射环境音效，如雨声、雷声等。
（2）添加发动机、气动噪声、行使噪声等音效，在BluePrint中建立与飞行状态和输入指令相应的映射关系。
3.音频数据库建立
3.1 重要环境音
重要环境音具体包括：
（1）天气音效：如雨声、风声、雷声等；
（2）动力装置音效：如发动机、转子等；
（3）空气动力音效：如气流噪声、扰流板、襟翼产生的噪声等；
在UE菜单栏中选择“环境音效”组件，添加到场景中。编辑“环境音效”组件的属性，包含音效、衰减、调制音频。音效属性中添加需要播放的音频，以.wav格式添加。衰减是随着actor离开，声音的音量变小的能力。主要设置最大和最小音频半径参数，当actor从声源处开始移动并穿过最小音频半径时，声音的音量为100%，在最大音频半径之外时，声音的音量为0，在最大和最小音频半径之间的空间移动时，音量等级将基于距离算法调整。
例如为场景中设计风声，首先添加环境音效（Ambient Sound Actor）见图2。添加到场景后，设置音效属性，添加风声音频，见图3。
图2 菜单栏添加“环境音效”
图3 添加风声音频
风声的模拟不需要添加衰减，如需要模拟发动机噪声，则添加衰减。设置音频的衰减时，选择合适的衰减函数，衰减函数将决定随距离而变化的衰减率。可选择的衰减函数类型有：线性、对数、反函数、对数反函数、自然音效和自定义的方式，发动机的模拟选择自然音效，会模拟更“自然”的衰减行为，以形成与现实更接近的行为，自然音效衰减是介于对数函数与反函数之间的"中间地带"。设置音频的衰减时，也需要选择合适的衰减形状，衰减形状用于定义音效最小和最大衰减半径之间的形状。可选择的衰减形状类型有：球体、胶囊体、盒体和锥体，发动机的模拟选择球体。
3.2 座舱声源
座舱声源具体包括：
（1）告警音；
（2）导航提示音；
（3）模拟语音通讯通话：如飞行员之间通话、教员与飞行员通话、地面通讯台与飞行员通话等；
4.音效触发设计
场景中的一部分音频需要根据相应事件决定是否播放或者改变属性，为完成音效触发的功能，需借助UE中的蓝图。在蓝图的组件面板中，选择添加组件按钮并选择音频组件。可通过蓝图引用音频组件，并且可使用不同类型的函数修改其多个设置。音频组件（Audio）见图4所示：
图4 蓝图中的音频组件
4.1 飞行控制信息
根据飞行控制信息决定音效的触发，在蓝图中将插入的音频组件连接到“输入轴”或“事件Tick”后，飞行员使用外部设备控制飞机时，相应的会触发音频的播放。例如飞行员使用键盘或驾驶仪打开推进器时，根据打开推进器的控制信息，触发推进器音频，见图5所示。
图5 根据控制信息触发音频
4.2 飞行状态信息根据飞行状态信息决定音效的触发，在蓝图中引出飞行时状态变量，添加判断模块，当状态变量达到一定条件时，相应的触发音频的播放或改变音频属性。例如根据当前的飞行速度信息，改变气流噪声的音量，见图6所示。
图6 根据状态信息触发音频
5.总结
本章对模拟飞行音效的需求进行总结，依据飞行控制信息和飞行状态信息触发音效基于虚幻引擎建立了重要环境音和座舱生源的音频数据库，实现了根据飞行控制信息和飞行状态信息的音效触发机制。
参考文献
[1] 轩海彬,蔡伟健,汪洋.飞行仿真技术展望[J].中国科技信息,2022,(11):42-44.
[2]盛晓伟, 韩俊伟. 飞行模拟器音效系统声源提取方法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2012, 43(12): 4764-4771..