CC BY
24
Gordana Jurin,
dipl. in Ž. Milorad Pavlović,
dipl. inž.
Vazduhoplovni opitni centar, Beograd
ODREĐIVANJE BUKE RADI SERTIFIKACIJE MLAZNIH AVIONA
UDC: 534.6 : [621.45 : 623.746]
Rezime:
U radu su prikazane osnovne teorijske postavke i matematicki modeli koji su zna-cajni za obradu akustickih i neakustickih podataka u procesu odrelivanja buke mlaznih aviona prema melunarodnom standardu ICAO, Annex 16, za potrebe sertifikacije. Pro-ces obuhvata i postupak eliminacije efekata ambijentalnog suma iz signala avionske buke. Kao primer, data je prakticna primena navedenog postupka na rezultate merenja za avion G-2A.
Kljucne reci: mlazni avion, avionska buka, ambijentalni sum, metoda merenja, sertifikacija, pri-mena.
PROCEDURES IN THE NOISE CERTIFICATION OF JET AIRCRAFT
Summary:
This paper presents a basic theoretical scheme and a mathematical model that is used to calculate jet aircraft noise level for certification purposes in accordance with the international standard ICAO Annex 16. In this process acoustic and nonacoustic data are used. The process also includes the procedure for eliminating ambient noise effects out of the aircraft noise signal. This procedure was applied in the case of noise measurement results for the G-2A jet aircraft.
Key words: jet aircraft, aircraft noise, ambient noise, noise measurement, certification, application.
Uvod
Porocedura za sertifikaciju svih va-zduhoplova u civilnom saobra}aju po pi-tanju buke, kao uslov za izdavanje plo-vidbene dozvole, definisana je me|una-rodnim i nacionalnim standardima. Glav-ni me|unarodni standard je ICAO, Annex 16, Volume I (International Civil Aviation Organization) ~iji je potpisnik i na{a zemlja, ponovo od 2001. godine. U ovom standardu date su metode merenja pri sertifikaciji vazduhoplova, dozvolje-
ne maksimalne vrednosti i preporuke za na~in kontrole nivoa buke u okolini aero-droma. Na osnovu ovih preporuka ažuri-raju se svi standardi koji se bave ovom problematikom - JAR 36, FAR Part 36 i svi ostali nacionalni standardi.
Prema na{im vazduhoplovnim pro-pisima sertifikacija civilnih letelica koja se odnosi na nivo buke je obavezna, ali su merenja ovog tipa kod nas jo{ uvek retka. Za rad je odabrana kompletna pro-cedura merenja buke mlaznih aviona (ka-tegorija Chapter 3) i rezultati merenja za
36
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
avion G-2A ostvareni sa PC kompatibil-nim mernim sistemom nove generacije za merenje i obradu akusti~kih signala
Određivanje nivoa buke
mlaznih aviona
Deskriptori avionske buke
Krajem {ezdesetih godina pro{log veka ICAO je kao standardnu mernu je-dinicu za izražavanje nivoa avionske buke, tj. efektivnog nivoa percipirane buke (Effective Perceived Noise Level -EPNL), usvojio EPNdB. Ovaj nivo pred-stavlja meru subjektivnog doživljaja avionske buke u koji su, osim ja~ine, inkor-porirani i bu~nost, njeno iritirajuće dej-stvo i vreme trajanja.
Nivo EPNL određuje se prora~unom PNL (Perceived Noise Level, jedinica PN dB), PNLT (Perceived Noise Level Tone-Corrected, jedinica TPN dB) i perioda trajanja buke u toku preleta aviona. PNL uzi-ma u obzir varijaciju ~ujnosti u funkciji frekvencije, PNLT doprinos tonova ili dis-kretnih fTekvencija ~esto prisutnih u ovako kompleksnom zvuku kao {to je avionska buka, a EPNL i period trajanja buke.
Uslovi merenja i merenje
Za potrebe sertifikacije, buka mlaznih aviona se meri u toku faze poletanja
i sletanja, na tri lokacije u okolini aero-droma, sl. 1. Razme{taj ovih ta~aka je sledeći:
- lateralna ta~ka u fazi poletanja (K1): 450 m bo~no od linije poletanja, na poziciji gde je buka maksimalna. Ova ta~-ka se određuje serijom probnih merenja na raznim pozicijama duž merne linije;
- ta~ka preleta u fazi poletanja (K2): nalazi se na produženoj osi piste na 6,5 km od polazne ta~ke na pisti;
- ta~ka preleta u fazi sletanja (K3): nalazi se na produženoj osi piste na 2 km od praga piste.
Poletanje se vr{i punom snagom motora, a nakon odvajanja aviona od piste prelazi se u penjanje sa konstantnim uglom i brzinom. Po dostizanju visine od 300 m, snaga motora se smanjuje na onu koja obezbeđuje gradijent ugla penjanja od 4%, uz održavanje konstantne brzine. U toku ovog leta konfiguracija aviona se ne menja i jedino je dozvoljeno uvla~e-nje stajnog trapa.
Sletanje se vr{i po standardnoj ILS proceduri. Prelet merne ta~ke K3 vr{i se na visini 120 m, a ugao prilaza je 3° sa dozvoljenim odstupanjem od ± 0,5°.
Merenje zahteva opsežnu pripremu koja obuhvata:
- prora~un dozvoljenih maksimal-nih vrednosti nivoa buke za sve tri ta~ke
..5^
____..y""________ K2
__________^ 450__________________________________________
-4 EE?*-- •
K3 <— 2 km < 6,5 km >
Sl. 1 - Merne tacke K1, K2 i K3
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
37
na osnovu relacija datih u standardu i po-dataka za masu i broj ugradenih motora na avionu;
- proracun putanje i parametara leta za referentne i uslove merenja, na osnovu podataka datih u standardu i uputu za avion;
- pronalaženje tacne pozicije late-ralne tacke K1;
- odredivanje mase i centra mase aviona.
Na navedenim mernim mestima pre i nakon snimanja avionske buke obave-zno se snima i ambijentalni sum u traja-nju od minimalno 10 sekundi koji se ka-snije obraduje na isti nacin kao i avion-ska buka. Pored snimanja akustickih sig-nala, snimaju se i parametri leta (visina, putna brzina, instrumentalna brzina, sna-ga na poletanju i pri preletu mernog me-sta), putanja leta (X, Y, Z koordinate) i meteoroloski podaci u vreme merenja (pritisak, temperatura, relativna vlažnost, brzina i smer vetra). Snimanje svih nave-denih grupa podataka je istovremeno, sem meteoroloskih za koje se uzimaju petnaestominutne srednje vrednosti.
Merenja se vrse u uslovima bez pa-davina i temperaturnih inverzija, kada je u prostoru izmedu merne tacke i izvora zvuka temperatura u granicama —10°C do 35°C, a relativna vlažnost 20% do 95%. Dozvoljena prosecna brzina vetra je 5 m/s maksimalno, a bocna kompo-nenta 3 m/s, mereno na visini 10 m iznad tla. Dozvoljeno atmosfersko slabljenje je 12 dB/100 m maksimalno, na frekvenciji 8 kHz. Razlika nivoa avionske buke i ambijentalnog suma mora da bude veća od 20 PNdB, a u svim posmatranim ter-cama ne manja od 3 dB u periodu 10 dB ispod nivoa maksimalne buke.
Minimalan broj merenja je 6 za sva-ku mernu tacku, pri cemu rezultati mora-ju zadovoljiti statisticke uslove. Dozvoljeno odstupanje je ±1,5 EPN dB za gra-nicu poverenja 90%.
Tercna analiza akustickih signala
Analiza signala buke i suma ambi-jenta vrsi se u vremenskom i frekvencij-skom domenu.
Za svako merenje zapisi buke se fil-triraju tercnim filtrima cije su centralne frekvencije od 50 Hz do 10 kHz, tj. u fre-kvencijskom opsegu 40 Hz do 11,2 kHz. Ovako filtrirani signali zatim se vode na detektor efektivne vrednosti sa dinamic-kom karakteristikom „SLOW“ i linear-nom frekvencijskom karakteristikom da bi se dobili signali nivoa zvucnog priti-ska SPL u funkciji vremena. Zatim se pristupa analizi u vremenskom domenu radi dobijanja podataka o trenutnoj vred-nosti SPL na svakih 0,5 s, i to za svaku pojedinacnu tercu.
Isti postupak obrade primenjuje se na vremenski zapis signala avionske buke i ambijentalnog suma.
Proracun EPNL
Proracun nivoa EPNL vrsi se po simplified ili integrated metodi. Po prvoj metodi, koja je u ovom radu prezentira-na, normalizovanje na standardne opera-tivne i atmosferske uslove (referentni uslovi) vrsi se samo u tacki detekcije maksimalne buke, nivo PNLTM, a po drugoj u svim vremenskim intervalima izracunatog nivoa PNLT(k).
38
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
Prvi korak u proracunu EPNL je konverzija dobijenih SPL(i,k) vrednosti u percepiranu bucnost - n(i,k) [noy] preko matematickih relacija ili tabela datih u standardu. Za svaki vremenski snimak ove vrednosti se kombinuju za sve tercne opsege po formuli:
N (k ) = n (k) + 0,15 •
Z n (i, k)- n (k)
(1)
gde je:
i - redni broj frekvencijskog opsega (1, 2,..., 24),
k - redni broj vremenskog intervala, n(k) - maksimalna vrednost u k-tom vre-menskom intervalu,
24
Z k) - suma vrednosti u svim opse-
i =1
zima.
Ukupna percipirana bucnost N(k) zatim se konvertuje u nivo percipirane buke, PNL(k), preko jednacine:
PNL(k) = 40,0 + —— log10 N (k) (2)
logio2
Za spektar avionske buke karakteri-sticna je pojava spektralnih neregularno-sti, odnosno izraženih diskretnih tonova cije prisustvo izaziva dodatnu subjektiv-nu smetnju. Uticaj ovih neregularnosti odreduje se u procesu koji se naziva ton-ska korekcija. Njen koncept zasniva se na analizi nagiba amplituda izmedu su-sednih terci u posmatranom spektru radi pronalaženja tona sa maksimalnom am-plitudom. Identifikacija spektralnih nere-gularnosti je još jedna ekstremno kom-pleksna procedura, a dobijeni faktor ton-ske korekcije C(k) koji je frekvencijski zavisan dodaje se vrednosti PNL(k), cime
se dobija tonski korigovani percepirani nivo buke PNLT(k) i izražava u TPNdB, relacija (3):
PNLT (k ) = PNL(k )+ C (k ) (3)
Tonska korekcija primenjuje se sa-mo na tonske neregularnosti koje poticu od posmatranog izvora - aviona, pa se zbog toga vrse dodatna testiranja, koja obuhvataju identifikaciju izvora ovih neregularnosti i njihovu eliminaciju kada izvor nije avion.
U okviru procesa tonske korekcije proverava se i da li je identifikovani dis-kretni ton istovremeno prisutan u dva op-sega. To se dogada kada je frekvencija tona granicna frekvencija dva opsega, usled cega se njegova energija prosiruje na oba opsega, a posledica je priguseni pik. Ova provera se primenjuje samo u intervalu u kojem je detektovana maksimalna buka, nivo PNLTM. Problem se resava zamenom prvobitno izracunatog C(k) sa usrednjenom vrednošću za 5 uza-stopnih intervala, dva pre i dva posle maksimuma.
Kako ukupan subjektivni osećaj ja-cine buke vazduhoplova zavisi ne samo od maksimalnog nivoa i spektralnog sa-stava, već i od njenog trajanja, uvodi se i uticaj vremena. Ukupni subjektivni ose-ćaj jacine buke vazduhoplova oznacava se kao efektivni percepirani nivo buke EPNL i defmiše kao:
i t2 PNLT
EPNL = 10 log - Jl0 10 • dt (4)
^1
Integracija se vrši u intervalu — t2 u kojem je nivo PNLT(k) > PNLTM - 10 dB.
Najzad se, uz korišćenje podataka o temperaturi, vlažnosti, pritisku i ostalih
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
39
neakusticnih podataka, vezanih za puta-nju i parametre leta, izracunata vrednost EPNL normalizuje na standardne opera-tivne i atmosferske uslove. Ovaj postu-pak naziva se korekcija.
Korekcija
Nivo slabljenja zvuka pri prostiranju kroz atmosferu zavisi od mnogobrojnih faktora koji se razlicito odražavaju na njegov spektralni sadržaj. Među njima su najznacajniji udaljenost izvora, stanje atmosfere, karakteristike podloge. Iz na-vedenih razloga standardom su defmisani referentni uslovi i uslovi merenja, kao i nacin korekcije izmerenog nivoa buke, kada navedeni uslovi nisu identicni u po-gledu stanja atmosfere, putanje leta, rela-tivne brzine aviona u odnosu na memo mesto i parametara motora kao generato-ra buke. Efekat navedenih odstupanja di-rektno se odražava na stepen slabljenja i period trajanja buke.
Korekciji se pristupa nakon obrade zapisa signala buke i proracuna EPNL u uslovima merenja. Postupak obuhvata izra-cunavanje korekcija koje se algebarski do-daju na EPNL, da bi se kao rezultat dobila vrednost EPNL u referentnim operativnim i atmosferskim uslovima, relacija (4):
Sl. 2 — Sematski prikaz putanja leta i pozicija aviona u trenutku detekcije maksimalne buke, za ta~ku K2 ili K3
Sl. 3 — Sematski prikaz putanja leta i pozicija aviona u trenutku detekcije maksimalne buke za lateralnu ta~ku K1
EPNLr = EPNL + Дј + Д 2 + Д 3 (5)
gde je:
EPNLr - nivo buke u referentnim uslovi-ma,
EPNL - nivo buke u uslovima merenja,
Д1 - korekcija za meteoroloske i propa-gacione uslove,
Д2 - korekcija za period trajanja pojave, Д3 - korekcija za motor kao izvor buke.
Ovaj postupak se primenjuje za sva-ko pojedinacno merenje.
Za proracun korekcija Д1 i Д2 po-trebno je prethodno odrediti udaljenost izvora od tacke prijema u momentu de-tekcije maksimalne buke, i u uslovima merenja i referentnim uslovima. Na sl. 2 i sl. 3 dat je sematski prikaz snimljene i referentne putanje leta, kao i položaj avi-
40
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
ona (Q) u odnosu na merno mesto (K) u vreme kada je buka maksimalna, za tac-ku preleta K2 ili K3 i lateralnu tacku K1, respektivno. Udaljenosti QK i QrKr predstavljaju propagacione puteve zvuc-nih talasa u uslovima merenja i referent-nim uslovima, respektivno.
Kod proracuna ovih udaljenosti po-lazi se od pretpostavke da QK i QrKr formiraju iste uglove sa putanjama leta, ugao y. To važi za sva merna mesta, dok se u slucaju lateralnog merenja buke uzi-ma da QK i QrKr formiraju i iste uglove sa povrsinom zemlje - щ
Korekcijom A1 obuhvaćen je uticaj atmosferskih uslova i putanje leta, tj. nji-hova odstupanja od referentnih uslova. Navedena korekcija se primenjuje na vrednosti nivoa zvucnog pritiska -SPL(i) u svim tercama u opsegu od 40 Hz do 12,5 kHz u intervalu u kome je de-tektovana maksimalna buka, nivo PNLTM. Proracun se vrsi prema relaciji (5). Drugi clan ove relacije odnosi se na efekat promene koeficijenta atmosfer-skog slabljenja, treći na uticaj standard-nog atmosferskog slabljenja na promenu dužine propagacionog puta i cetvrti na zakonitost da je nivo buke obrnuto sra-zmeran kvadratu rastojanja.
SPL (i) = SPL (i) + 0,01 ]a(i) - a (i)0 ]• QK + +0,01 • a (i)0 • (QK - QrKr ) + 20 • log ^QQK- j
(6)
gde je:
i - redni broj terce,
SPL(i)C - korigovani nivo zvucnog priti-ska,
SPL(i) - izmereni nivo zvucnog pritiska,
a(i), a(i)0 - koeficijent atmosferskog slabljenja u uslovima merenja i referentnim, respektivno, u dB/100m,
QK, QrKr - udaljenost avion - mikrofon u uslovima merenja i referentnim, respektivno, u metrima.
Koeficijenti atmosferskog slabljenja a(i) i a(i)0 izracunavaju se za svaku po-jedinacnu tercu na osnovu relacija (7) i (8) i podataka datih u standardu, pri ce-mu se za ulazne podatke uzimaju tempe-ratura (в) izražena u °C i relativna vla-žnost vazduha (h) u procentima u vreme merenja i referentnim uslovima, respektivno.
/ .4 , J 2,05log( %00 W394 • 10 -'в-1,916984 a(/)=10L ( y
/ c\ 1 n[logC/0 )+8,42994 • 10-3 в-2,755624] +П\о) 40L J
(7)
б =
1010 (log h-1,328924+3,179768
-7Г40
10-2 в
(-2,173716 ■ 10-4в2 +1,7496 • 10-6в3 X1^
(8)
Nakon izvrsene korekcije ponovo se izracunava nivo maksimalne buke (PNLTr) sa novim korigovanim vredno-stima SPL(i)C. Razlika nivoa PNLTr i PNLTM predstavlja vrednost korekcije Ai u (4):
Aj = PNLTr - PNLTM (9)
Pri primeni ove metode (simplified), da bi se izbegle moguće greske u određivanju EPNL nivoa u referentnim uslovima, primenjuju se i dodatne A1 korekcije na sve pikove nivoa PNLTM -2 dB u intervalu PNLTM - 10 dB. U svim ovim pikovima vrsi se korekcija SPL(i,kpik), nakon cega se izracunavaju
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
41
PNLTr(kpik) vrednosti. Ukoliko je kori-govani PNLTr(kpik) veći od korigovanog PNLTr u maksimumu, tada se ta razlika dodaje izmerenom nivou EPNL. Kada ima vi{e pikova uzima se maksimalna razlika.
Iznos A2 predstavlja korekciju za razliku u dužini trajanja pojave u uslovi-ma merenja i referentnim uslovima, {to je posledica odstupanja putanje leta i put-ne brzine od referentnih vrednosti. Prora-cun se vr{i samo za podatke u tacki mak-simuma, tj. kada je ostvaren PNLTM ni-vo, prema relaciji:
A2 = -7,5-log (QK/QrKr)+10-log(V/Vr)(10) gde je:
V (km/h) - putna brzina aviona u vreme merenja,
Vr (km/h) - putna brzina aviona u refe-rentnim uslovima.
Korekcija A3 obuhvata uticaj emisi-onog parametra motorske buke џ, kao i svih relevantnih parametara (masa avio-na, brzina i visina, spoljna temperatura) koji uticu na motor kao izvor buke, ukoliko znatno odstupaju od referentnih vrednosti. Maksimalno dozvoljena odstupanja su: 28 km/h za brzinu, 1 EPNdB za masu na poletanju i 2 EPNdB za masu na sletanju.
Eliminacija efekata
ambijentalnog šuma
Podaci o nivou ambijentalnog {uma u vreme merenja avionske buke izuzetno su znacajni za ocenu validnosti rezultata merenja. Rezultati se smatraju validnim samo kada je ambijentalni {um najmanje za 20 PN dB ispod maksimuma avionske
buke i kada je nivo zvucnog pritiska avionske buke u svim tercama (50 Hz do 10 kHz) i u svim vremenskim intervalima (korak 0,5 s) za period 10 dB ispod mak-simuma avionske buke (PNLTM nivo) bar 3 dB iznad srednje vrednosti ambijentalnog {uma. Pri tome je važno da u ovom periodu ne dole do maskiranja po-jedinih spektralnih komponenti avionske buke, a samim tim i netacnog konacnog rezultata. Prvi uslov je lako ostvariti, ali ne i drugi. U tom slucaju neophodno je primeniti neku od metoda za njegovu eli-minaciju koja obuhvata:
- identifikaciju maskiranih podataka,
- pode{avanje nemaskiranih podataka na vrednosti koje bi bile bez prisustva ambijentalnog {uma,
- zamenu i rekonstrukciju maskiranih nivoa postupkom frekvencijske ili vremenske ekstrapolacije.
Navedenom procesu pristupa se na-kon tercne analize avionske i ambijental-ne buke i dobijanja SPL(i, k) vrednosti i pre primene bilo koje korekcije vezane za mernu opremu, atmosfersko i propa-gaciono slabljenje.
Pojava i uzroci maskiranja
Poznato je da sa porastom frekven-cije amplituda zvucnog pritiska u spektru avionske buke merene na zemlji opada, a u spektru elektricnog {uma merne opre-me raste. Posledica toga je pojava maski-ranih podataka i to u vi{em delu spektra avionske buke. Verovatnoću njihovog pojavljivanja povećava i ambijentalni {um prisutan u vreme merenja.
Glavni uzrok slabljenja spektralnih komponenti akustickog signala je atmos-ferska apsorpcija energije zvucnog talasa u
42
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
toku njegove propagacije od izvora do pri-jemnika. Stepen ovog slabljenja zavisi od trenutnih meteo uslova. Pored atmosfer-skog zna~ajno je i propagaciono slabljenje koje je direktno srazmerno kvadratu rasto-janja od izvora i ne može se zanemariti ka-da je ta udaljenost veća od 200 m.
Navedena slabljenja imaju manji uticaj na odredivanje buke aviona sa klipnoelisnim pogonskim grupama, jer su u spektru buke ovih aviona vise izražene spektralne komponente u nižem delu spektra, za razliku od mlaznih aviona gde su izraženije komponente u visem delu.
Uticaj atmosferskog i propagacio-nog slabljenja ne samo da nije isti za raz-licite tipove aviona, već nije isti ni na mernim mestima za isti tip aviona. Odno-si nivoa ambijentalnog suma i maksimal-ne buke istog aviona za standardom pro-pisana merna mesta K1, K2 i K3 se me-đusobno razlikuju, cak i pod pretpostav-kom da je nivo ambijentalnog suma isti. Razlike u detektovanoj maksimalnoj buci su ocekivane i posledica su razlika u re-žimu rada avionskog motora, udaljenosti aviona od mernog mesta, ugla putanje le-ta i ugla propagacije zvucnih talasa.
Identifikacija maskiranih podataka i
kriterijumi maskiranja
Identifikacija maskiranih podataka vrsi se na osnovu odgovarajućeg kriteri-juma koji se definise za svaki pojedinac-ni opseg u posmatranom spektru avion-ske buke. Kriterijum maskiranja utvrđuje se na osnovu podataka za pre-detection i post-detection sum, koji predstavljaju dve komponente background suma usta-novljene tokom merenja avionske buke.
Background sum predstavlja kombi-novani sum u mernom sistemu, koji ukljucuje sve izvore izuzev aviona koji se testira i koji ima razlicit uticaj na spektralni sadržaj avionske buke. Tipicni elementi background suma su: ambijen-talni sum i analiticki sum mernog siste-ma. Prvi se kategorise i kao pre-detection sum, jer ima energetski uticaj na kompo-nente spektra avionske buke, dok drugi kategorisan kao post-detection sum, ne-ma navedeni uticaj ali može da narusi svojstva izmerenog signala. Post-detection sum predstavlja i minimalni nivo is-pod kojeg se izmereni nivoi buke smatra-ju neupotrebljivim.
Standardom je propisano da se re-prezentativna svojstva pre-detection suma dobijaju merenjem u trajanju od mi-nimalno 10 s, a optimalno 30 s neposred-no pre i nakon ispitnih letova. Ovi snimci treba da reprezentuju akusticku buku po-zadine i elektricni sum, kao sastavne komponente pre-detection suma u vreme merenja avionske buke. Konfiguracija i postavljeni parametri na mernom sistemu u toku snimanja i postupka obrade mora-ju biti identicni uslovima snimanja i obrade avionske buke. Dobijeni podaci u snimljenom intervalu usrednjavaju se po tercama i kao takvi se koriste u postupku identifikacije.
Pre utvrđivanja kriterijuma maskiranja, proverava se validnost svih tercnih podataka pre-detection suma. Za ovu pro-veru koriste se podaci za post-detection sum koje najcesće daje proizvođac zbog složenosti njegovog određivanja. Uslov validnosti pre-detection suma jeste da je njegov nivo visi od nivoa post-detection suma u posmatranom opsegu. Kada je
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
43
ovaj uslov ispunjen, kriterijum za utvrđi-vanje da li je podatak u avionskom spek-tru maskiran ili ne jeste nivo pre-detection suma uve}an za 3 dB, a u suprotnom nivo post-detection suma uve}an za 1 dB.
U procesu identifikacije, za maski-rani podatak u avionskom spektru se pro-glasava vrednost SPL (i, k) koja je jedna-ka ili manja od vrednosti definisane na-vedenim kriterijumom. Pozicija maskira-nog podatka, odnosno vremenski interval i opseg memorisu se radi predstoje}ih koraka korekcije.
Pojava prvog maskiranog podatka u visem delu frekvencijskog opsega (jedna od terci sa centralnom frekvencijom od 800 Hz do 10 kHz), obicno je indikacija da su i podaci u svim narednim tercama maskirani. Ova pretpostavka zasnovana je na cinjenici da atmosfersko i propaga-ciono slabljenje raste sa porastom fre-kvencije akustickog signala. Međutim, nije iskljucena ni pojava nemaskiranih podataka kao posledica varijacije akustickog suma pozadine ili diskretnih to-nova ciji je izvor avion. Prvi slucaj se za-nemaruje, a drugi se prijavljuje nadle-žnim institucijama za sertifikaciju aviona po pitanju buke.
Pozicija prvog maskiranog podatka u visem delu spektra važna je za defini-sanje „poslednjeg dobrog opsega“ (LGB - Last Good Band), a samim tim i izbora nacina korekcije ovih podataka. Za LGB se usvaja opseg pre opsega sa prvim ma-skiranim podatkom, dok se svi naredni opsezi, bez obzira na rezultate testiranja, prema prethodnom objasnjenju smatraju maskiranim.
Svi navedeni postupci primenjuju se na spektralne zapise avionske buke u svim intervalima, korak 0,5 s, znacajnim za proracun EPNL.
Proces podesavanja
Za svaki nemaskirani opseg do LGB, ukljucuju}i i njega, gde je istovre-meno validan i pre-detection sum, vrsi se podesavanje izmerene vrednosti zvucnog
pritiska avionske buke - SPLavion+šum (i k)
na one koje bi bile bez prisustva navede-
nog suma - Lpre-detection (i). Procedura se
zasniva na utvrđivanju njihove razlike na energetskoj osnovi:
10-log
10'
(PL
'AVION+SUM
(г,к )/10)_10(L
„ (i )/10)
(11)
Na ovako korigovane SPL (i, k) vrednosti dalje slede frekvencijski zavi-sna podesavanja diktirana karakteristika-ma merne opreme, poput frekvencijskog odziva sistema, free-field odziva mikro-fona i uticaja stitnika za vetar. Time se formira osnova za rekonstrukciju maski-ranih podataka u svim intervalima. Sam postupak rekonstrukcije zavisi od lokaci-je maskiranog podatka u spektru.
Rekonstrukcija maskiranih podataka
U postupku rekonstrukcije vrsi se zamena onih izmerenih podataka koji su identifikovani kao maskirani sa vredno-stima koje bi bile izmerene u uslovima bez pre-detection suma. Ove vrednosti određuju se racunskim putem. Postupak izracunavanja zavisi od pozicije maskira-nog podatka u spektru.
Za niže frekvencijske opsege (50 Hz - 630 Hz) rekonstrukciji podležu samo pojedinacni maskirani podaci, ukoliko su okruženi validnim, pri cemu se za novu vrednost dodeljuje njihova aritmeticka sredina. U protivnom standard ne propi-
44
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
suje drugi nacin rekonstrukcije, tako da vise uzastopnih maskiranih podataka ostaje i dalje markirano kao maskirani.
Pri rekonstrukciji maskiranih podataka u višim frekvencijskim opsezima (800 Hz - 10 kHz), u zavisnosti od spek-tralnog položaja LGB-a, primenjuju se dve metode:
- frekvencijska ekstrapolacija, kada je LGB u opsezima 2 kHz do 8 kHz,
- vremenska ekstrapolacija, kada je LGB u opsezima 630 Hz do 1,6 kHz.
Za proracun rekonstruisanih vredno-sti primenom ovih metoda potrebni su i podaci za atmosfersko slabljenje i rasto-janje avion - mikrofon u vreme detekcije maskiranog signala.
Svi rekonstruisani i podaci koji su i dalje ostali maskirani u nižim i višim frekvencijskim opsezima se markiraju radi predstojećih koraka tonske korekcije i validacije rezultata merenja.
Frekvencijska ekstrapolacija
Frekvencijska ekstrapolacija prime-njuje se u slucaju kada je frekvencija LGB opsega jednaka ili veća od 2 kHz i obuhvata rekonstrukciju svih opsega iz-nad njega u posmatranom spektru.
Metoda je bazirana na pretpostavci da je na rastojanju 60 m od izvora u refe-rentnim atmosferskim uslovima (25°C i 70% relativna vlažnost) spektar avionske buke ravan u opsezima 2 kHz do 10 kHz.
Analiticki izraz za proracun rekon-struisanih vrednosti svih maskiranih sig-nala u opsezima iznad LGB opsega dat je sledećom relacijom:
SPLC (i,k) = SPL(j,k)+[a(j)-a(i)]■
. Rk)+ 100
60
100
(12)
gde je:
i — redni broj terce sa maskiranim podat-kom,
k — redni broj vremenskog intervala za maskirani podatak, j — redni broj LGB terce u trenutku k, SPLC(i,k) - rekonstruisani nivo maskira-nog signala, u dB,
SPL(j,k) - LGB nivo sa unetim korekci-jama za atmosferske uslove, pre-detection šum, mernu opremu, a(i), a(i)ref - koeficijent atmosferskog slabljenja za i-tu tercu u uslovima merenja i referentnim, respektivno, u dB/100 m,
a(j), a(j)rf - koeficijent atmosferskog slabljenja za LGB opseg u uslovima merenja i referentnim, respektivno, u dB/100 m,
R(k) - rastojanje avion - mikrofon u tre-nutku k, u metrima.
Vremenska ekstrapolacija
Vremenska ekstrapolacija prime-njuje se u slucaju kada je pozicija LGB opsega u rasponu od 630 Hz do 1,6 kHz i obuhvata rekonstrukciju svih ma-skiranih podataka u opsezima iznad njega. Metoda je bazirana na pretpostavci da je tokom preleta avionski spektar omnidirekcionalan. Za ovu me-todu je karakteristicno da se analizira pozicija maskiranog podatka u odnosu na vremenski najbliži validan podatak u istom opsegu. Formula za proracun data je relacijom (13) uz napomenu da je nivo SPL validnog podatka prethod-no podešen za uticaj pre-detection šu-ma i karakteristika merne opreme.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
45
SPLC (i, k) = SPL(i, m) +
R(m)
100
R(k)
100
•a(i) + 201og
R(m)
T(k)
(13)
gde je:
i — redni broj terce maskiranog i 1. valid-nog podatka,
k — redni broj vremenskog intervala u ko-me je detektovan maskirani podatak, m — redni broj najbližeg vremenskog intervala sa validnim podesenim nivoom, SPLC (i,k) — rekonstruisan nivo maskiranog signala, u dB,
SPL(i,m) — validan i podesen nivo u m-tom intervalu, najbliži maskiranom u is-toj terci, u dB,
a(i) — koeficijent atmosferskog slabljenja u uslovima merenja, u dB/100 m,
R(k) - rastojanje avion - mikrofon u in-tervalu к, u metrima,
R(m) - rastojanje avion - mikrofon u in-tervalu m, u metrima.
Za primenu vremenske ekstrapolaci-je važno je napomenuti da najniža fre-kvencija LGB opsega može biti 630 Hz. U slucaju kada su maskirani opsezi 630 Hz i 800 Hz, rekonstrukcija maskiranih podataka se ne može izvrsiti.
Nakon podesavanja i rekonstrukcije podataka slede koraci proracuna do dobi-janja vremenski zavisnog nivoa PNLT(k) — tonski korigovani nivo percipirane bu-ke, pri cemu su ukljuceni podaci iz svih opsega, bilo da sadrže validne, rekonstru-isane ili maskirane podatke. Ovi podaci su ukljuceni i u postupak svođenja ko-nacnog rezultata na referentne atmosfer-ske i propagacione uslove.
Zahtevi i ograničenja
Rekonstrukcijom maskiranih podataka uklonjeni su efekti ambijentalnog suma iz signala avionske buke.
Rezultati prethodno opisanih proce-dura su podeseni, rekonstruisani i maskirani podaci, cije pozicije i vrednosti su znacajne za proracun konacnog rezultata, nivoa EPNL. Zbog i daljeg prisustva ma-skiranih podataka, proracun faktora ton-ske korekcije, C(k), usložava se.
Vrednost jednog od rekonstruisanih podataka u visim frekvencijskim opsezi-ma može biti identifikovana kao ton sa maksimalnom amplitudom u posmatra-nom spektru. Međutim, posto je ovaj ton lažan i izracunata vrednost za faktor ton-ske korekcije C(k) je netacna. Ovaj problem se ne može resiti jednostavnim iz-jednacavanjem C(k) sa nulom. Eliminaci-ja uticaja ovih podataka na proces tonske korekcije može se resiti na jedan od sle-deća dva nacina:
- tonska korekcija se vrsi samo do terce identifikovane kao LGB, pri cemu su obuhvaćeni i svi rekonstruisani i ma-skirani podaci do LGB opsega,
- faktor F (međukorak u procesu proracuna C(k)) izjednacava se nulom, kada se utvrdi da je maksimalan ton identifikovan u terci sa maskiranim ili re-konstruisanim podatkom, nakon cega se postupak proracuna C(k) ponavlja.
Prisustvo rekonstruisanih i maskiranih podataka u intervalu PNLTM - 10 dB koji je važan za proracun EPNL utice na ocenu validnosti merenja. Rezultati merenja se odbacuju ukoliko je samo jedan spektar nevažeći u pomenutom intervalu, a to podrazumeva da su:
46
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
- postojali zahtevi za rekonstrukci-jom u vise od cetiri terce u jednom od in-tervala k u periodu PNLTM ±1s (5 inter-vala od 0,5 s) ili je LGB lociran u terca-ma sa centralnim frekvencijama do 4 kHz, ukljucujući i nju;
- podaci i dalje maskirani nakon primenjenog postupka rekonstrukcije u vise od cetiri terce.
Rezultati merenja
Navedena metoda proracuna nivoa buke EPNL uz eliminaciju efekata ambi-jentalnog suma primenjena je na rezulta-te merenja buke aviona G-2A. Zbog obimnosti podataka, po 6 merenja za merna mesta K1, K2 i K3, rezultati su prezentirani samo za jedan od letova u mernoj tacki K3 (tacka preleta u fazi sle-tanja).
Avion G-2A, prikazan na sl. 4, do-zvucni je mlazni avion sa jednim ugrade-nim motorom, tipa VIPER 22-6. Ovaj avion je u sastavu naseg ratnog vazduho-plovstva i ne podleže sertifikaciji koja se odnosi na nivo buke. Medutim, posto se od nedavno koristi u civilnom saobraćaju ovaj sertifikat je neophodan.
Buka aviona G-2A za propisana merna mesta K1, K2 i K3, iz organizaci-
Sl. 4 — Avion G-2A
teodolitska stanica 1
teodolitska stanica 2
Sl. 5 — Scenario merenja buke G-2A
onih razloga snimana je na lokaciji koja odgovara lateralnoj mernoj tacki K1 uz simulaciju standardom predvidenih puta-nja za K2 i K3 (sl. 5).
Merenja su realizovana u vreme ka-da u zoni ispitivanja nije bilo letenja, niti pokretanja motora vazduhoplova. Za akusticku proveru mernog sistema kori-sćen je kalibracioni signal pistonfona, ni-voa 124 dB (re 20 p,Pa) na 250 Hz. Mi-krofon je postavljen na propisanu visinu 1,2 m iznad tla, pod uglom incidencije od 90° u odnosu na pravac prostiranja zvuc-nih talasa.
Za merenje i analizu avionske buke i ambijentalnog suma korisćena je opre-ma firme Bruel & Kj$r, sistem za moni-torisanje buke, tip NMT 3637B, u cijem sastavu je:
- mikrofonska jedinica za spoljasnju upotrebu sa kablom dužine 10 m, tip 4198 (mikrofon tip 4189, pretpojacavac tip 2669 i stitnik od vetra tip UA1404),
- stalak za mikrofon, tip UA 0801,
- analizator nivoa buke, tip 4441,
- sistem kontroler, tip UL 0219,
- GPS prijemnik sa antenom, tip ZD 0871.
Softverom 7802 Bruel & Kj$r si-stem je setovan za rad sa linearnom fre-kvencijskom skalom, SLOW dinamic-kom karakteristikom i tercnim filtrima za
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
47
Sl. 6 — Konfigurisanje i transfer podataka sa NMT na PC
dobijanje nivoa zvucnog pritiska sa ekvi-distantnim razmacima od 0,5 s (sl. 6). Frekvencijska analiza je vr{ena filtrira-njem detektovanih signala buke sa digi-talnim filtrima u on-line postupku (anali-zator 4441). Izmerene vrednosti za ekvi-valentni nivo buke i rezultati tercne ana-lize u realnom vremenu memorisani su na disk racunara (sistem kontroler UL 0219) sa korakom 1 s i 0,5 s, respektiv-no. Svi snimljeni i obradeni podaci mere-nja preneti su sa NMT sistema na notebook racunar pomenutim softverom. Ra-cunska obrada tercnih podataka za avion-sku buku i pre-detection {um obavljena je u MatLab paketu.
Putanja aviona snimana je optoteo-dolitskim sistemom „SKYTRACK“, fir-me Contraves iz Svajcarske, koji cine dve teodolitske stanice na medusobnom rastojanju od 2 km. Izracunavanje koor-dinata sa korakom 0,5 s vr{i se re{ava-njem mreže trouglova metodom triangu-lacije.
Meteorolo{ki podaci u vreme mere-nja preuzeti su od aerodromske meteo službe. Snimanje avionske buke sinhro-nizovano je sa snimanjem putanje leta.
Za potrebe racunske obrade podata-ka za buku u paketu MatLab, proracunati
su i putanja leta i parametri aviona za re-ferentne uslove i uslove merenja na osnovu podataka datih u standardu i uputstvu za upravljanje avionom.
U zapisima avionske buke identifi-kovani su maskirani podaci. Identifikacija je vr{ena po kriterijumu + 3 dB u odnosu na prosecnu vrednost pre-detection {uma koji je snimljen pre i nakon ispitnog leta u trajanju od 30 s. Na sl. 7 prezentirane su srednje vrednosti ovog {uma po tercama, a na sl. 8 za avionsku buku. Validnost pre-detection {uma utvrdena je u procesu po-redenja njegovih tercnih podataka sa poda-cima za post-detection {um koji su preuzeti od proizvodaca.
Nakon identifikacije maskiranih po-dataka izvr{ena su pode{avanja validnih podataka, koja podrazumevaju oduzima-nje energije pre-detection {uma i uno{enje korekcija za mikrofonsku jedinicu 4198 pri uglu incidencije 90°. Svi identifikova-ni maskirani podaci su rekonstruisani me-todom frekvencijske ekstrapolacije.
Sl. 7 — Pre-detection sum
Sl. 8 — Snimljeni tercni podaci za avionsku buku
48
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
Tabela 1
Raspored rekonstruisanih i maskiranih podataka
Granice posmatranih perioda LGB Zahtevi za rekonstrukciju u periodu PNLTM - 10 dB Maskirani i posle rekonstrukcije u peridu PNLTM - 10 dB Metoda rekonstrukcije
i k i k i
k1 ' (kmm-"2) 24 - - - - -
kmax ± 2 24 - - - - -
(kmax+2) - k2 23 47, 48 24 - - frekvencijska
Parametri aviona i uslova okoline
Tabela 2
Merno QK QrKr H Hr V Vr Meteo podaci
mesto (m) (m) (m) (m) (km/h) (km/h) u vreme opita referentni
K3 196,9 230,4 90,6 109,7 217,2 229,0 28,2°C, 38%, vetar 2,5 do 3 m/s 25°C, 70 %, vetar 0 m/s
Tabela 3
Kona~ni rezultati merenja
Primenjena metoda C PNLTM ki k k2 A A2 Pozicija aviona u toku opita EPNL EPNLr
eliminacije šuma (dB) (TPNdB) n,max (dB) (dB) QK (m) Y (°) P(°) (EPNdB) (EPNdB)
ne 1,9208 98,74219 33 38 48 -1,3355 0,3269 196,9 153,3 28,2 94,3 93,3
da 1,9209 98,74048 33 38 48 -1,3357 0,3269 94,3 93,3
Gde je:
H, Hr (m) - visina leta u uslovima merenja i ref. uslovima, kt i k2 - red. br. intervala na granicama perioda PNLTM-10dB, kmax - red. br. intervala za PNLTM, y(°) - ugao emisije zvucnih talasa, P(°) - elevacioni ugao prijema zvucnih talasa.
Izracunate su vrednosti PNL(k) za avionsku buku i pre-detection sum, pri cemu su ukljuceni podaci iz svih opsega, bilo da sadrže validne, rekonstruisane ili maskirane podatke. Poređenjem maksi-malnih vrednosti utvrđeno je da je ova razlika veća od minimalno dozvoljenih 20 PN dB.
U vremenskim intervalima, gde su u visim opsezima identifikovani maskirani podaci, tonska korekcija je vrsena do LGB. Time je eliminisan jedan od mogu-ćih izvora lažnih tonova sto je potvrđeno vrednostima C(k) koje variraju u rasponu većem od indikativnih 0,2 dB do 0,6 dB i njihovim neznatnim razlikama sa i bez eliminacije suma.
Ishod procesa tonske korekcije je tonski korigovani nivo percipirane buke PNLT(k), sl. 9, nakon cega je izracunat nivo EPNL za uslove merenja. Efekat eli-minacije pre-detection suma nije se odra-zio na konacan rezultat, nivo EPNL, jer je mali broj podataka bio maskiran, a za-tim rekonstruisan, a 2 podatka su u spek-trima na granici perioda PNLTM - 10 dB (tabela 1).
Potvrda uspesnosti primenjenog procesa eliminacije efekata pre-detection suma, a istovremeno i validnosti uslova merenja, je broj podataka koji su ostali maskirani, broj zahteva za rekonstrukci-jom i pozicija LGB u spektru u periodu PNLTM - 10 dB. Za ovu mernu tacku
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
49
Zaključak
Sl. 9 — PNLT(k) nivo sa i bezpre-detection šuma
propisani zahtevi u potpunosti su zadovo-ljeni, jer nijedan podatak nije ostao maski-ran u periodu PNLTM — 10 dB, broj zahte-va za rekonstrukcijom manji je od 4 i loka-cije svih LGB su u tercama iznad 4 kHz (redni broj terce je ve}i od 20) u periodu PNLTM ± 1 s (tabela 1).
Za prora~un EPNL u referentnim uslovima kori{}eni su meteo podaci, put-na brzina i udaljenost aviona od mernog mesta. Vrednosti ulaznih parametara po-trebnih za svo|enje na referentne opera-tivne i ambijentalne uslove dati su u tabeli 2. Kona~ni rezultati merenja sa svim rele-vantnim me|urezultatima prora~una, sa i bez primene procesa eliminacije efekata ambijentalnog {uma, dati su u tabeli 3.
Primenom izloženog postupka pro-ra~una EPNL, proces odrelivanja ovog nivoa za posmatranu mernu ta~ku nije zavr{en. Za dobijanje kona~nog rezultata potrebno je najmanje {est merenja, pri ~emu rezultati moraju zadovoljiti stati-sti~ke uslove. Traženi nivo je srednja vrednost ovako dobijenih rezultata.
Radi za{tite životne okoline važno je poznavanje nivoa buke svih u~esnika u civilnom vazdu{nom saobra}aju. Na pri-meru odrelivanja nivoa buke za avion G-2A, primenom složene procedure defini-sane standardom ICAO Annex 16, poka-zuje se da kod nas postoji raspoloživa merna oprema, da se mogu sprovesti zah-tevane procedure leta, obezbediti zapisi buke aviona i putanje leta aviona, kao i realizovati njihova kompletna obrada i analiza. T o otvara mogu}nost {ire prime-ne ovog standarda kod nas radi za{tite okoline, posebno prostora oko aerodro-ma.
Literatura:
[1] ICAO Annex 16, Environmental Protection, Volume I — Aircraft Noise, Third Edition, 1993.
[2] Doc. 9501 — ICAO Committee on Aviation Environmental Protection, 1993.
[3] Advisory Circular AC No: 36-4C — U. S. Department of Tran-
sportation, Federal Aviation Administration, 15. 07. 2003.
[4] Kurtović, H. S.: Osnovi tehničke akustike, Naucna knjiga, Beograd, 1982.
[5] Bošković, V., Zeljković, V., Jurin, G.: Merenje buke va-zduhoplova prema standardu ICAO, Annex 16, Konferen-cija za ETRAN, Tesli}, Sveska II, str. 291—293, jun 2002.
[6] Zeljkovi}, V., Boškovi}, V., Jurin, G.: Postupak korekcije izmerenog nivoa avionske buke kada uslovi merenja i refe-rentni uslovi nisu identi~ni, Konferencija za ETRAN, Te-sli}, Sveska II, str. 294—297, jun 2002.
[7] Jurin, G., Pavlović, M., Jankuloski, Đ.: Avionska buka i uti-caj ambijentalnog šuma na tačnost merenja, Konferencija za ETRAN, Čacak, Sveska II, str. 401^04, jun 2004.
[8] Jurin, G., Pavlovi}, M.: Problem eliminisanja ambijental-nog šuma u procesu odre|ivanja nivoa avionske buke, Na-u~notehni~ka informacija, 2005.
50
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2005.
