Simularea acustica specifica simulatoarelor de zbor

Simularea acustica specifica simulatoarelor de zbor

1. Auzul uman

Auzul uman este un simt al omului, care cu toate ca a fost bine caracterizat si studiat nu a fost pe deplin elucidat ca functii, mai ales in domeniul modului de prelucrare a informatiei. Pe masura ce s-au efectuat studii se constata ca interpretam si facem analiza sunetelor mai mult cu creierul decat cu urechea si acest fenomen de detectie si selectie cuplat cu acela de recunoastere a vorbirii nu este inca perfect definit.

Corpul omenesc receptioneaza sunetele cu cele doua urechi dispuse de o parte si alta a capului.Urechile au rolul de a recepta sunetele ,de a le directiona si de a le converti si transmite prelucrate catre creier.

Urechia umana este formata din trei structuri specifice fiecare si dedicate :

-urechea externa sau pavilionul urechii are rolul de a capta undele sonore prin forma ei si de a le dirja catre timpan,

-urechea medie preia sunetele care a ajuns pe timpan si le transmite amplificate cu un sistem mecanic. Timpanul functioneaza ca o membrana elastica,( deci ca un microfon ) si este actionat de presiunea sonora care determina miscari si vibratii ale acestuia.Vibratiile unt transmise si amplificate mecanic de trei mici elemente osoase( denumite "ciocanelul,nicovala si scarita") .Astfel amplificate sunetele sunt transmise mecanic la urechea interna amplasata in oasele creierului.

-urechea interna care are si ea o membrana si o cavitate in forma de melc transmite mai departe aceste vibratii printr-un mediu lichid. Nervul acustc are n aceasta zona prelungiri ,denumite cili care preiau vibratiile si le convertesc in semnal neuronal.Tot in urechea interna sunt amplasate si canalele semi-circulare care au un rol determnant in definirea pozitiei de echilibru a omului dupa cum am mentionat la capitolul privind senzatia de miscare.

Simtul auzului se bazeaza deci pe prelucrarea vibratiilor si a presiunilor sonore receptate de urechea externa.Apoi urechea interna efectueaza o analiza preliminara a sunetelor, delimitind domeniul de frecvente si prin sistemul neuronal care contine celule senzoriale capteaza vibratiile sonore si codifica informatia despre ele in impulsuri nervoase care sunt trimise spre creier.

Caracteristici specifice ale sistemului auditiv sunt urmatoarele

• auzim structuri armonice: - acelasi sunet (frecventa) poate fi generat de instrumente diferite, dar pe langa sunetul fundamental exista: armonici secundare, sunete asociate etc: - aceste regimuri specifice pentru generarea unui sunet determina timbrul.

Ex: pentru o orchestra: frecventele merg de la : o,o5Hz 2.1KHz

(toba) (vioara)

• domeniul de frecventa receptionat este intre 20 HZ pina la 20.000 HZ si zona cea mai buna este in jurul a 4000 de HZ. Este semnificativ ca pentru a determina o serie de avertizari, domeniul de frecventa de avertizare s-a mutat foarte sus sau exista frecvente care se memoreaza mai usor (sirena salvarii, alarme, etc.).
• ne adaptam bine la zone de zgomat diferit, deoarece perceptia sonora este logarimica,
• detectia de directie a sunetelor este relativ slaba ,
• discernem intre sursele sonore diferite si ne putem concentra asupra unei surse,
• in copilarie se face educatia si memorizarea sunetelor si a limbajelor cind sunetele sunt asociate cu notiuni,

2.Notiuni privind sunetele - caracteristici generale

Miscarea unui obiect in atmosfera in general, fie ca este rotatie, fie ca este vibratorie sau deplasarea unui obiect creeaza in aer o zona de presiune ridicata, iar in spatele acestuia o zona de presiune mai joasa. Sunetul este un fenomen fizic care este asociat acestei variatii rapida a presiunii aerului.Presiunea ridicata impinge aerul in toate directiile, dupa care aceste unde de presiune sonora se departeaza si se imprastie micsorinduse ca amplitudine si putere.

Pentru a se propaga, sunetul are nevoie de un mediu de transmisie. Viteza acestei transmisii depinde de densitatea mediului si de natura sa. Cu cat densitatea este mai mare, cu atat este mai mare viteza sunetului.

Viteza sunetului depinde de natura materialului:

-prin aer unde:

p = presiunea barometrica

r = densitatea aerului

Valoarea tipica este de 345 m/sec.

In domeniul simulatoarelor de zbor sunetele sunt unde sonore propagate prin aer, generate de vibratii mecanice sau electrice, intr-un domeniu de frecventa care poate fi auzit, respectiv perceput de om.

Miscarea undelor sonore poate fi impartita dupa directia de propagare astfel:

longitudinala:    - directia de propagare coincide cu directia de miscare

torsionata:    - miscarea este de rasucire si emisia se face pe alte directii decat cea longitudinala.

transversala:    - cazul cand miscarea difera de directia de propagare ex: - coardele instrumentelor muzicale.

Pentru cazul auzului uman, se receptioneaza cel mai bine undele longitudinale.

Sunetul se transmite prin aer datorita unor serii de compresiuni si rarefieri fata de presiunea atmosferica existenta. Presiunea acustica scade cand deplasarea e maxima si creste ea este minima dupa cum se vede in figura :

Sunetul are doua elemente specifice : frecventa si amplitudinea.

Frecventa sunetului ne arata rapiditatea cu care un ciclu de vibratii se repeta in timp si se masoara in hertzi, domeniul frecventelor receptionate de om fiind 20 la 15000 Hz sau chiar 20000 Hz.

Amplitudinea descrie intensitatea sau puterea sunetului si este denumita nivel

de presiune sonora. Dupa cum se specifica in studiile efectuate pragul auzului uman este de 0,0002 microbari, adica 1/5.000.000.000 din presiune atmosferica normala,rezultind ca urechea umana este foarte sensibila la variatiile de presiune.

Citeodata pentru anumite calcule acustice se foloseste si inversul frecventei ,lungimea de unda.

Lungimea de unda    l pentru domeniul acustic variaza intre 2cm pina la 17m.

Auzul si puterea sonora

Avand in vedere caracteristicile urechii, ale timpanului etc. noi nu receptionam direct presiunea undelor sonore in mod proportional. Auzul este logaritmic, reactioneaza la ordine de marime si de aceea unitatea de masura a presiunii sonore curent folosita este decibelul.

Decibelii sunt mult mai potriviti in descrierea intensitatii unui sistem sonor deoarece pentru urechea umana ca sa obtinem un sunet de doua ori mai intens trebuie sa generam o intensitate sonora de zece ori ma mare.

Intensitatea sonora in decibeli

P₂ - presiuni sonore

P₁ - presiune sonora

3. Simularea sunetelor la simulatoare

Inainte de a trece la componenta sistemelor de sinteza a zgomotelor este necesar sa se defineasca ce zgomote se vor simula. Cele mai semnificative sunete care apar tipic in zbor in cabina unei aeronave sunt :

-zgomote continuui datorita evolutiei aeronavei,

-zgomote care apar datorita unur cauze punctuale,

-comunicatiile radio cu personalul de dirijare care sunt simulate.

Zgomote continuui datorita evolutiei aeronavei

-zgomote aerodinamice : in principiu datorita miscarii aeronavei in atmosfera cu diferite viteze si la diverse manevre se produce un zgomot care este denumit zgomot aerodinanic, el are doua componente : una datorita frecarii aeronavei de fileurile de aer si o alte component datorita turbulentelor locale dezvoltate tot de miscarea aeronavei. Teoretic acest zgomot poate fi inregistrat functie de viteza, de atitudinea aeronavei, de vantul existent si de parametrii proprii ai atmosferei: densitate, altitudine si temperatura aerului.

-zgomot de motor: elementele de propulsie ale aeronavei in miscare (de exemplu: elicii, jeturi, rotorul, turbine etc) produc zgomote specific armonice. Un rotor produce un sunet cu o frecventa determinata de viteza sa rotativa specifica. Sunetul este afectat de regimul de functionare a motorului ,viteza aeronavei si intr-o oarecare masura de atitudine a aeronavei pe traiectorie.
Un alt zgomot tipic este acela dezvoltat cind motoarele sunt folosite ca frane auxiliare la aterizare si ele functioneaza in mod invers,adica imping jetul de aer in sens opus directiei de deplasare.

-zgomotul de rulaj la sol. Cand aeronava ruleaza pe pista in timpul decolarii si aterizare se produc sunete tipice datorita frecarii dintre pneurile trenului de aterizare si teren. Specificul sunetelor depinde de viteza de rotatie a rotilor precum si de presiunea de contact a anvelopelor pe teren.Zgomotul este influentat si de profilul anvelopelor, de a sistemului de franare cu ABS, etc,.La fel apa, zapada, gheata sau nisipul de pe pista sunt factori determinanti in caracterizarea zgomotului .De asemenea, putem observa la rulajul de la sol zgomote distincte suprapuse pe zgomotul de rulaj datorita interstitiilor intre placile de beton de pe pista.

-zgomotul de ventilatie,aer conditionat sau de aparatura electronica in functiune, invertoare etc,. La inceputul aviatiei aceste zgomote erau pregnante in cabinele de zbor, dar in present la avioanele civile moderne acesta parte a devenit foarte silentioasa si nu mai actioneaza decit ca un fond sonor nesemnificativ.

Zgomote care apar datorita unur cauze punctuale,

-zgomot de APU .Grupul motopropulsor auxiliar (APU) este o sursa de energie auxiliara care se afla la coada fuselajului, servind la pornirea motoarelor. In timpul actionarii, acesta emite un sunet specific, puternic. La fel ca si zgomot de motor, sunetul de la APU se transmite catre cabina pilotilor prin aer si partial prin structura.

-zgomote de actionare a unor elemente mobile din compunerea aeronavei: tren de aterisare,flaps,bord de atac etc. Aceste elemente la actionarea lor hidraulica ,electrica sau mecanica genereaza sunete specifice care trebuie associate cu manevra respective.

-zgomotul de contact cu solul este de asemenea un zgomot punctual care trebuie inregistrat

-zgomotul de ploaie pe parbriz. Atunci cand o aeronava zboara in ploaie in cabina se aude un zgomot specific.. Mai mult, calitatea sunetului depinde de viteza si de atitudinea aeronavei.

-zgomote in situatii speciale cind se produc blocari sau avarieri : pompaj, ingestii la motoare, blocari de pompe etc..Aceste zgomote sunt greu de produs si inregistrat,deoarece presupun avarieri de componente si de aceea se face apelul la compunerea lor , folosirea altor sisteme de la sol similare si consultarea cu piloti cu experienta care au intilnit asemenea evenimente.

Am enumerate pe scurt citeva dintre tipurile de zgomote specifice ce trebuiesc reproduse in cabina simulatorului.

In reproducerea sunetelor avem trei zone specifice:

-etapa de inregistrare a sunetelor pe aeronava reala ,

-etapa de generare a sunetelor aferente simularii zborului pe baza inregistrarilor efectauate,

-redarea sunetelor in incinta simulatorului,

Cabina de pilotaj a unei aeronave este un mediu plin de zgomote generate natural sau care provin de la o serie de avertizari ,alerte vocale etc,Cu toate ca sunetele sunt furnizate intr-un simulator pentru a creste fidelitatea, ele sunt, de asemenea, semnale importante pentru anumite manevre si acestea trebuie sa fie in concordanta cu sunete auzit intr-un avion.

Unele sunete, cum ar fi cele date de motoare sunt functie de turatie de obicei si pot varia in functie de conditiile de zbor. O alta serie de sunete sunt un set de tonuri, care indica o avertizare de exemplu, un incendiu la bord , inaltime periculoasa etc,..

In general, se utilizeaza doua metode pentru a genera sunete cabina de pilotaj. Tehnica evidenta este de a inregistra sunete reale de aeronave, folosind un sistem de sunet de calitate inalta de inregistrare plasat in cabina de pilotaj , de obicei cu microfoane amplasate in tavanul acesteia . Dezavantajul cu acest mod de abordare este numarul mare de inregistrari necesare pentru a acoperi toate conditiile de zbor. Regimurile motorului pot fi foarte variate si sunetele depind si de altitudinea zborului. Apoi se face analiza in frecventa pentru fiecare sunet si se va genera o forma de unda corespunzatoare. Pentru sunetele simple, cum ar fi o alarma de avertizare, acest lucru este destul de simplu deoarece aceste avertizari cuprind un set de sunete. Sunetul de motoare cu reactie, elicii si rotoare sunt mult mai complicat de redat.. Cu toate acestea, frecventele fundamentale ale acestor surse de zgomot pot fi identificate si apoi combinate cu diferite forme de zgomot alb. Placile de sunet de gen sintetizator sunt folosite pentru generare si ele sunt comandate de un procesor de semnal digital functie de datele din model .

Etapa de inregistrare:

Este necesar sa se inregistreze sunetul aferent misiunii, in cabina in conditii de maxima fidelitate si cu un comentariu al pilotului care sa arate manevrele efectuate, regimul motorului, etc.

Eventual se coreleaza aceste date cu datele aferente inregistrarilor in zbor (cutia neagra).

-inregistrarea se face cu magnetofoane profesionale cu mai multe canale

-se plaseaza 1 4 microfoane, functie de configuratia aeronavei.

-paralel se fac inregistrarii pe o alta pista pentru comentariile pilotului (operatorului)

Procesarea semnalului

Dupa ce se verifica inregistrarea se stabilesc zonele importante si se trece la procesarea semnalului

-pentru fiecare regim se determina o zona de sunet afectata unei manevre sau regim de actionare.

1. Se determina amplitudinea:

-Prin masuratori se determina pentru toata misiunea un anumit zgomot de fond care are o anumita amplititudine

-Se elimina acest zgomot de fond prin procesarea semnalului:

-Se utilizeaza sisteme de procesare care analizeaza amplitudinea semnalului,functie de necesitati se aleg caracteristicile de tratare si marcare pentru fiecare zona ca amplitudine si mod de procesare.

2. Se trece la analiza frecventelor:

-se face inregistrarea lor digitala, la inceput codul era de 16 biti. La inregistrare se are in vedere se are in vedere teorema lui Nyquist (frecventa de esantionare trebuie sa fie dubla fata de cea mai inalta frecventa pe care intentionam sa o comunicam ).

De exemplu Codul 16 biti utilizatpentru CD - are 65536 de nivele ceea ce duce la o calitate de 90 dB intre semnal si zgomot

Pentru un spectru de 20 Hz 20KHz este nevoie de o frecventa de esantionare de cel putin 40 Hz

Rezolutia, numarul de biti dintr-un cod digital sau profunzime (bit depth),

stabileste numarul de valori distincte ce pot fi inregistrate. Un cod digital pe 8 biti poate

reprezenta 256 de elemente diferite. Sistemele acustice de inalta calitate folosesc

minim 16 biti pentru a micsora distorsiunea si zgomotele.

Pentru un semnal audio stereo se foloseste o frecventa de esantionare de 44,1 KHz si un cod digital de 16 biti, ceea ce inseamna ca trebuie procesati 150 Kb/sec, adica 9 Mb/minut.

De fapt frecventele sunt mai mari pentru a creste performanta :

- CD player: 44,1 Khz

- inregistrari tipice pentru simulatoare: 48Khz

Dupa ce semnalul corespunzator sunetului este transformat din forma analogica in forma digitala, putem spune ca am format o baza de date de sunete . Sistemele de inregistrare a sunetelor vor analiza formele undelor sonore alocind fiecaruia o anumita codificare si o adresa. Sunetele sunt stocate in forma numerica ,inclusiv cele particulare .

Pentru a putea genera sunetul descompus in frecvente se face analiza frecventelor pe spectru si se determina o amprenta - cod pentru fiecare domeniu:

- analiza se poate face digital sau analogic cu echipament de transformate Fourier.

Aplicarea transformatei Fourier se face dupa formula:

Aceasta transformare se aplica cand avem conditiile Dirichlet si anume:

a) integrala din f(t) pe o perioada T trebuie sa fie finita

b) numarul de discontinuitati pentru un interval t trebuie sa fie finit

c) numarul de maxime si minime pentru f(t)trebuie sa fie finit

Teorema si transformarea asigura o conditie esentiala pentru generarea functiilor de univocitate: deci si invers cu ajutorul unor functii sinusoidale putem genera o anumita functie.

Coeficientii a,a,b se obtin prin integrare pe perioade alese astfel incat functiile trigonometrice sa fie "zero"

Deci esenta sistemului este ca orice functie cat de cat periodica f(t) poate fi reprezeatata prin serii Fourier cu o anumita precizie. De obicei in reproducerile de la simulator se face o aproximatie la primii termeni, deoarece nu este necesara o precizie deosebita.

Etapa de generare

Circuitul de baza folosit pentru generarea frecventelor, oscilatorul, produce un

ton exact ,dar de fapt sunetele naturale nu sunt simple frecvente ci colectii de mai multe frecvente de tarii diferite.

Generarea unui sunet presupune de fapt realizarea combinatiei corecte de frecvente, fapt posibil prin sinteza. Sinteza sunetelor poate fi de mai multe tipuri, pe care le vom aminti pe scurt.

Sinteza substractiva - primele sintetizatoare au folosit tehnologia

analogica, Sintetizatoarele generau sunete cu ajutorul unor oscilatoare speciale, denumite generatoare de zgomot alb ,care generau un spectru larg de frecvente .Aceste semnale erau apoi filtrate cu filtre specifice si se obtinea o anumita banda specifica unui semnal.Deci din semnalul de spectru larg se extragea sunetul caracteristic.

-Sinteza aditiva - este bazata pe principiul sintetizatorului, adica opusul sintezei substractive. Sunetele sunt realizate prin alaturarea frecventelor ce compun un anumit sunet specific .

Tehnologia digitala aparut ca solutie alternativa si a facut ca sintetizatoarele digitale sa ofere un control foarte mare al sunetelor si posibilitatea de a crea sunete noi, inlocuind sistemul cu filtre care era destul de greoi si nu acoperea toata gama de sunete cerute.

Sinteza se realizeaza pe baza unui tabel de sunete, care sunt preluate la nevoie dupa un algoritm si reproducerea se face folosind forma de unda exacta a sunetului iregistrat digital, singurul dezavanta este ca metoda memorii mari pentru a stoca toate datele.

tabelului.

Vom prezenta un sistem analog digital care realizeaza generarea zgomotului de evolutie a unei aeronave.

In general structura de generare este compusa din urmatoarele sisteme:

1.Bloc de prelucrare a semnalelor din comenzi / interfata + filtrare:

2.Bloc de generare a zgomotelor cu spectru fix:

3.Bloc de generare a zgomotelor cu spectru variabil:

In aceasta categorie apar:

-zgomotul motoarelor functie de turatie

-zgomotul aerodinamic: viraje, picaj etc.

-zgomotul de rulaj

4. Blocul de generare a zgomotului alb:

5. Subsistemul canalelor audio ce asigura mixarea, amplificarea si redarea semnalelor prin difuzoare specializate.

Schema generala de functionare este:

Metoda sintetica in domeniul zgomotelor presupune urmatoarele:

- in B.G.Zsi B.G.Zsunt filtre trece banda de diferite frecvente comandate de un semnal digital

- zgomotul alb care contine toate frecventele este filtrat pe cele doua directii: filtrele fiind deschise sau inchise prin intermediul unor porti logice.

Functie de comanda numerica din I / F se deschid o serie de cai si se transmite, combinatia de frecvente, necesara.

Amplitudinea este analizata separat si se regleaza direct fie manual fie automat.

In prezent se folosesc sisteme specialzate digitale de generare a sunetului in simulatoare.

Piesa de baza este un generator de efecte sonore care are cuplat la iesire un procesor de semnal digital programat printr-o interfata de control logica. Fiecare sunet are programat separate pe trei canale de semnal digital respectiv :caracteristica in frecventa,amplitudinea si semnalele de ambianta care dau timbrul si tonul.

In continuare exista un sistem care converteste sunetul respective in semnal audio care poate fi aplicat unor incinte acustice.
Functie de actiunile pilotului se declanseaza algoritmi de programare a sunetelor pentru fiecare situatie specifica, iar algoritmul este bazat pe inregistrari facute pe aeronava reala astfel incit gradul de realism sa fie maxim.
Sistemele digitale permit si realizarea cailor de comunicatie cu solul si inter echipaj , generind zgomotul de fond atit de specific comunicatiilor aer-sol.

Sinteza digitala ofera mai multe avantaje in comparateie cu sistemele traditionale prezentate :

un sunet complex este descompus in elemente distincte care pot fi manipulate si incluse in algoritmi tipizati,

se poate reda si "timbrul surselor " datorita fidelitatii reproducerii pe mai multe canale.

se poate sintetiza vocea umana si se realizeaza astfel insertii de mesaje si recunoasteri de mesaje.

Reproducerea semnalului in interiorul cabinei simulatorului

Pentru reproducerea zgomotului in interiorul cabinei simulatorului este necesar sa consideram utilizarea de difuzoare specializate: incinte acustice deoarece spectrul de zgomote este suficient de mare si este necesara o buna calitate in reproducere.

Pe de alta parte, incinta in care generam sunetele este destul de dificila, deoarece avem o cabina de simulator intr-o anvelopa deci structuri diferite, tratate fonic diferit etc.

Se va face deci o verificare pentru a stabili anumite caracteristici ale incintei:

-un model pentru frecvente joase

- un model pentru frecvente inalte (o apoximare statistica)

Primul caz se rezolva prin studiu de vibratii deoarece zgomotul de frecvente joase este asociat cu vibratii si este esential ca o regula simpla: difuzoarele de joasa frecventa sa fie amplasate de obicei in cabina in partea inferioara si sa ne asiguram ca se induc vibratii prin scaune.

Pentru modelul de frecvente inalte se determina:

RT - timpul de reverberatie - timpul dupa care nivelul de presiune sonora scade cu 60 dB.

exemplu:

- pentru catedrale -8 - 10s.

- pentru camere mici -0,5s

RT=

V = volumul camerei (incintei) m

A = suprafata de absorbtie in m

S_n=aria de material in m

a_n =coeficient de absorbtie

o alta expresie este: RT

pentru a mai mic ca 0,1: RT=

formula Sabine

energia generala dezvoltata de o incinta acustica este de doua feluri:

sunt date in elementele corespunzatoare incintei

Q₁ - in Watts   

E - in(J)

nivel sonor de putere

Exista tabele care pe baza nivelului sonor de putere PWL si a timpului de reverberatie se determina puterea sonora in Watt.

Cazul cabinelor este dificil si de aceea se aleg de obicei incinte acustice de putere mare 75 125W care sunt amplasate in jurul cabinei.