CC BY
20
Milorad Pavlović,
dipl. inž. Gordana Jurin,
dipl. inž.
Tehnički opitni centar, Beograd
PRIMENA SISTEMA ZA MONITORING BUKE I MATLAB-a ZA PRORAČUN NIVOA AVIONSKE BUKE
UDC: 629.735 : 534.83.08] : 004.4
Rezime:
U radu je prikazan način primene sistema za monitoring buke, terminal NMT 3637B i softver 7802, firme Bmel & Kjar, u procesu sertifikacije mlaznih aviona, prema ICAO, stan-dardu Annex 16 i algoritam za proračun EPNL nivoa buke (Effective Perceived Noise Level), koji je kreiran u okruženju MatLab. Ovim softverom sublimirani su svi potrebni ulazni poda-ci, akustički i neakustički, radi dobijanja traženog nivoa i svih međurezultata neophodnih za formiranje konačnog izveštaja koji se dostavlja vazduhoplovnim vlastima.
Ključne reči: mlazni avion, avionska buka, merna oprema, softver.
NOISE MONITORING SYSTEM AND MATLAB APPLICATION FOR AIRCRAFT NOISE LEVEL CALCULATION
Summary:
This paper presents the use of noise monitoring system, terminal NMT 3637B and software 7802, Bmel & Kjar in process of jet aircraft noise certification according to standard ICAO Annex 16 and the algoritam for calculating EPNL noise level (Effective Perceived Noise Level) that we created in MatLab environment. This software sublimated all necessary input parameters, acoustic and non acoustic in purpose of getting final result and intermediate data. Those data are important for reporting to the certificating authority.
Key words: jet aircraft, aircraft noise, measuring equipment, software.
Uvod
Složenost postupka određivanja nivoa spoljašnje buke mlaznih aviona za potrebe sertifikacije prvenstveno se ogleda u broju ulaznih podataka, dužini njihovog vremen-skog zapisa, kao i načinu merenja i obrade. Složenosti postupka doprinosi i broj mer-nih mesta i merenja. Uslovi i metodologija merenja definisani su međunarodnim stan-dardom ICAO, Annex 16 [1].
Nivo buke ovih aviona izražava se u EPN dB jedinicama i daje se za referent-ne letne i atmosferske uslove. Ulazni po-daci za proračun su akustički podaci, od-
nosno buka testiranog aviona i šum am-bijenta, putanja leta, parametri leta i me-teorološki podaci.
Akustički podaci, odnosno nivoi zvučnog pritiska po tercama, čije su cen-tralne frekvencije od 50 Hz do 10 kHz, sni-maju se korakom 0,5 s. Sinhronizovano sa ovim podacima snimaju se i parametri leta i pozicija aviona na putanji. Potrebna duži-na vremenskog zapisa za obe vrste merenja po mernom mestu je oko 1 minut.
Referentne uslove definišu atmos-ferski pritisak od 1013,25 mbar, tempera-tura 25° C, relativna vlažnost 70%, vetar 0 m/s, standardizovane putanje poletanja
320
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
i sletanja. Odstupanje od ovih uslova ima za posledicu promenu uslova prostiranja zvučnih talasa, zbog promene atmosfer-skog i propagacionog slabljenja i perioda izloženosti buci.
Referentne putanje poletanja i sletanja određuju se na osnovu podataka datih u standardu i uputstvu pilotu za upravlja-nje avionom.
Imajući u vidu složenost merenja, kao i to da je potrebno najmanje po šest merenja na tri definisane lokacije, dve u fazi poletanja (merna mesta K1 i K2) i jedna u fazi sletanja (merno mesto K3), za akviziciju i obradu svih predviđenih podataka neophodna je savremena merna oprema sa računarskom podrškom, viso-ke tačnosti, koja omogućava pristup re-zultatima odmah nakon završenog opita.
U radu su istaknute prednosti upo-trebljene merne opreme, kratak pregled algoritma za proračun nivoa avionske bu-ke - EPNL i njegova izrada u MatLab okruženju.
Avionska buka
Deskriptor avionske buke je efektiv-ni nivo percipirane buke - EPNL (Effective Perceived Noise Level) izražen u EPN dB jedinicama. Ovaj nivo predsta-vlja meru subjektivnog doživljaja avionske buke u koji su, osim jačine, inkorpo-rirani bučnost, iritirajuće dejstvo i traja-nje. Nivo EPNL određuje se proračunom PNL nivoa (Perceived Noise Level, jedi-nica PN dB), PNLT nivoa (Perceived Noise Level Tone-Corrected, jedinica TPN dB) i perioda izloženosti buci u to-ku preleta aviona. Nivo PNL uzima u ob-zir varijaciju čujnosti u funkciji frekven-cije, PNLT doprinos tonova ili diskretnih
frekvencija često prisutnih u komplek-snom zvuku kao što je avionska buka, a EPNL i period izloženosti buci. U prora-čunu njihovih vrednosti figurišu nivoi buke izmereni na svakih 0,5 sekundi u 24 tercna opsega, u opsegu frekvencija od 40 Hz do 11,2 kHz.
Merna oprema
Za akviziciju i obradu akustičkih podataka odabran je sistem za monitoring buke, firme Bruel & Kj^r. Sistem čine terminal NMT 3637B i softver ANMS 7802. Osnovna namena ovog sistema je kontrola nivoa buke u životnoj sredini, u dužem peri-odu. Postavljaju se u okolini aerodroma, prometnih saobraćajnica, železničkih pruga i drugih bučnh lokacija u naseljenim mesti-ma. Podatke sa permanentnih terminala server preuzima u korisnički definisanim inter-valima, putem modema i javne telefonske mreže ili LAN komunikacije. Svi podaci se sortiraju i storniraju u sistemske baze podataka i trenutno su dostupni za prezentaciju u tabelarnom i grafičkom obliku, kao i u obli-ku izveštaja za događaj - event: 1 sat, 24 sata, 1 mesec snimanja, kratak izveštaj, spek-tar na / s, kalibracioni izveštaj). Navedeni izveštaji sadrže i statističke pokazatelje.
Dinamički opseg merenja je 110 dB, tako da je moguća akvizicija signala nivoa do 140 dB kada se koristi mikrofon 4189. Omogućava snimanje Leq nivoa (ekvivalentni kontinualni nivo buke) ili SPL (Sound Preasure Level - nivo zvu-čnog pritiska) na A ili linearnoj frekve-ncijskoj skali, sa SLOW, FAST, IMPULS ili PEAK detektorom. Postoji mogućnost definisanja minimalnog nivoa (SETL, NSETL i SENL) i minimalnog perioda tra-janja događaja kao uslova za formiranje
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
321
zvučnog zapisa događaja (wav fajl) na hard disku sistema za memorisanje.
Terminal NMT 3637B je autonoman u pogledu napajanja i predviđen je za duži rad na otvorenom prostoru, do 6 sati, gde je temperatura između -30° C i + 50° C i mak-simalnom relativnom vlažnošću od 90% na + 30° C. Kalibracija se može izvršiti pomo-ću pistonfona ili akustičkog kalibratora.
Razlog za izbor navedenog sistema je činjenica da on omogućava merenje, anali-zu i zapis ukupnog i tercnih nivoa u real-nom vremenu, a podaci su dostupni odmah nakon završetka opita. Zahvaljujući auto-nomnosti u pogledu napajanja i kapacitetu hard diska, opit može da traje i do 6 sati.
U sklopu terminala NMT 3637B na-laze se mikrofonska jedinica za spoljaš-nju upotrebu, analizator nivoa buke i si-stem za memorisanje podataka (sl. 1).
jedinica tip 4198
Sl. 1 - Terminal za monitoring buke NMT 3637B
Mikrofonsku jedinicu za spoljašnju upotrebu 4198 čine: mikrofon 4189, pretpo-jačavač 2669 C, štitnik od vetra, kiše i ptica UA1404, stalak za mikrofon UA 0801 i kabl dužine 10 m AO 0415. Mikrofon je od 1/2", free-field, kondenzatorski, prepolari-
san (0 V), opsega od 6 Hz do 20 kHz i ose-tljivosti 50 mV/Pa. Pretpojačavač je od 1/2", sa jedinicom za CIC kalibraciju (Charge Injection Calibration).
Sl. 2 - Softversko defmisanje parametara snimanja buke
Tsp Status
Active NMTs in system: 2 Servicing None 1 st. Attempt Mode Master
Remaining to service: 0 Sited at
Date From Repoits. Hour Reports: Event: Calibration To
Not Connected
■ Communication----------------------------------------------------------------------
Connection time . 00:00.00
I Ready
Sl. 3 - Softversko aktiviranje procedure prenosa podataka, NMT - PC - NMT
322
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
Sistem za analizu čini analizator ni-voa buke 4441. Analiza signala je oktavna ili tercna sa korakom 0,5 s ili 1 s, u opse-gu od 12 Hz do 20 kHz i vrši se sa digital-nim filtrima, klase 1. Brzina semplovanja je 48 kHz, a referentno slabljenje 0 dB.
Sistem za memorisanje podataka je industrijski PC Pentium sa hard diskom od 20 GB i instalisanim softverom ANMS 7802 (Aircraft Noise Monitoring Software). Ovaj softver instalisan je i na notebook računaru i koristi se za konfigurisanje NMT (sl. 2), sortiranje i storniranje podataka merenja u sistemske baze na disku računara NMT, prenos istih sa NMT na notebook računar radi pregleda, prezenta-cije ili dalje obrade u nekim drugim pro-gramima (sl. 3). Tačnost iščitavanja podataka je 0,1 dB. Pored navedenih funkcija omogućeno je i vizuelno praćenje prome-ne nivoa buke u realnom vremenu (sl. 4)
Sl. 4 - Vizuelizacija promene nivoa buke u realnom vremenu
Neophodni meteorološki podaci preuzimaju se od aerodromske meteoro-loške službe, a podaci za poziciju aviona na putanji sa GPS koji se ugrađuju na te-stirani avion. Za ove potrebe koristi se diferencijalni GPS - GPS System 1200, firme Leica (sl. 5 i 6).
Algoritam za proračun EPNL
Ulazni podaci za proračun EPNL su tercni podaci za avionsku buku i ambi-jentalni šum i sledeći neakustički podaci: pozicija aviona na putanji, putna brzina, koordinate mernog mesta, temperatura i relativna vlažnost vazduha, u uslovima merenja i referentnim uslovima. Potrebna merna oprema i scenario merenja prika-zani su na sl. 7.
Akustički podaci, odnosno nivoi zvučnog pritiska po tercama, čije su cen-tralne frekvencije od 50 Hz do 10 kHz snimaju se SLOW dinamičkom karakte-ristikom detektora i linearnom frekven-cijskom skalom, sa korakom od 0,5 s. Sinhronizovano sa podacima za avionsku buku snima se i pozicija aviona na putanji. Potrebna dužina vremenskog zapisa za obe vrste merenja je oko 1 minut.
Ambijentalni šum snima se nepo-sredno pre i nakon svakog prolaza-prele-ta mernog mesta u trajanju od minimalno 10 s, a optimalno 30 s. U postupku prora-čuna koriste se usrednjeni tercni nivoi iz-raženi u decibelima.
antena
upravljački panel prijemnik -----------
» S' » 3 9 a
. ® ооЭ'©, зла , .>
о i> 0 2.y
° & О JŠJ » * J *
i
Sl. 5 - GPS System 1200, Leica
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
323
Sl. 6 - Antena GPS System 1200, Leica na avionu G-2A
čemu su prethodno uklonjeni efekti šuma pozadine ukoliko postoje - EPNLm, a za-tim u referentnim uslovima - EPNLref.
Proračun EPNL u uslovima merenja i u referentnim uslovima dat je relacija-ma (1) i (2), respektivno.
EPNLm = PNLmax + C + D (1)
EPNLref = EPNLm + A + A 2 (2)
Proračun nivoa EPNL može se vršiti po simplified ili integrated metodi. Po pr-voj metodi koja je u ovom radu prezen-tovana, svođenje na referentne operativ-ne i atmosferske uslove vrši se samo u tački detekcije maksimalne buke, nivo PNLTmax, a po drugoj u svim intervalima izračunatog nivoa PNLT(k).
Prema simplified metodi prvo se iz-računava EPNL u uslovima merenja, pri
gde je:
PNLmax - maksimalna vrednost PNL nivoa,
C - faktor tonske korekcije,
D - korekcioni faktor za izloženost buci u uslovima merenja,
A1 - korekcija za meteorološke i propa-gacione uslove, i
A2 - korekcija za promenu perioda izlo-ženosti buci.
ICAO Annex 16 -Doc 9501 npat za avion
softveri:
AHMS 7802, B&K, Leica Geo СШсе, softver za meteo, EXCEL, Mat Lab
Sl. 7 - Merna oprema i scenario merenja buke u procesu sertifikacije mlaznih aviona
324
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
Prvi korak pre proračuna EPNLm je validacija uslova i podataka merenja. Proverava se koeficijent atmosferskog slabljenja na 8 kHz, koji mora biti manji od 12 dB/100 m, zatim nivo ambijental-nog šuma, koji mora biti minimalno 20 PN dB ispod maksimuma avionske buke i, na kraju, tercni nivoi avionske buke, koji moraju biti bar 3 dB iznad srednje vrednosti ambijentalnog šuma u posma-tranoj terci, za sve zapise, u periodu 10 dB ispod PNLTmax. U slučaju nezadovo-ljavanja trećeg uslova postoji mogućnost korekcije primenom metoda frekvencij-ske ili vremenske ekstrapolacije radi ot-klanjanja njegovog efekta. Međutim, to nameće dodatne uslove validacije merenja, o čemu je detaljno dato u [2] i [4]. Pri primeni navedenih korekcionih meto-da potrebni su i podaci o atmosferskom slabljenju i rastojanju avion - mikrofon.
Softver za proračun EPNL u
MatLab okruženju
U okviru Bruel & Kj^r softvera ANMS 7802 proračunavaju se i nivoi PNL, PNLT i EPNL sa korakom od 0,5 ili 1 s. Međutim, ove vrednosti za kori-snika imaju samo informativni karakter, jer proračunom nisu obuhvaćene korekcije koje standard ICAO, Annex 16 pro-pisuje. Zbog toga je za proračun EPNL izrađen softver u paketu MatLab.
Razlozi za primenu paketa MatLab su višestruki. Prvo, ovaj paket nudi iz-vanredne matematičke mogućnosti, dru-go, ima relativno dobru grafičku vizueli-zaciju rezultata, treće, lako se programira (kreiranje m fajlova) i, četvrto, instalacija je podržana na računarima različitih kon-figuracija i operativnog sistema.
U našem slučaju, proračun EPNL nivoa i potrebnih međurezultata za for-miranje izveštaja vazduhoplovnim vlasti-ma vrši se u programskom paketu MatLab 7.0 na notebook računaru Dell Latitude D400 (procesor: Intel Pentium M 1.4 GHz, RAM: 1GB) sa operativnim si-stemom Microsoft Windows XP.
Izgled osnovnog prozora MatLab 7.0 nakon startovanja aplikacije prikazan je na sl. 8. U toolbar-u za podešavanje te-kućeg direktorijuma (Current Directory), uneta je putanja foldera sa namenskim potprogramima, tj. funkcijama. Isti folder koristi se za smeštaj dela potrebnih ula-znih podataka, kao i samih rezultata. Pro-račun za svako od mernih mesta K1, K2 i K3 aktivira se unosom u komandni pro-zor (Command Window) naredbe run bu-kaK1, run bukaK2 i run bukaK3, respek-tivno. Razlog za odvajanje programa za svako merno mesto uslovljen je različi-tim podacima za položaj mernog mesta i putanje leta aviona u referentnim uslovi-ma, kao i različitim postupcima proraču-na rastojanja mikrofon - avion.
Aktiviranje navedenih m fajlova, pored naredbi za učitavanje podataka i snimanje rezultata, pokreće i odgovaraju-ći niz funkcija. U opticaju su sledeće: F1 - validacija merenja, utvrđivanje prisu-stva efekata ambijentalnog šuma i rekon-strukcija maskiranih podataka, F2 - pro-račun EPNL nivoa u uslovima merenja kada ne postoji uticaj ambijentalnog šu-ma, F3 - proračun EPNL nivoa u uslovi-ma merenja kada je uklonjen efekat ambijentalnog šuma, F4 - određivanje polo-žaja i brzine aviona u trenutku maksimuma buke u uslovima merenja i referentnim uslovima, F5 - proračun korekcija
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
325
Sl. 8 - Osnovni prozor MatLab-a
Ai i A2 za svođenje rezultata na referent-ne uslove pri odsustvu efekata ambijen-talnog šuma i F6 - proračun korekcija za svođenje rezultata na referentne atmos-ferske i letne uslove posle izvršene re-konstrukcije maskiranih podataka.
Za proračun koeficijenata atmosfer-skog slabljenja ili grafički prikaz među-rezultata u m fajlovima pozivaju se i funkcije Crtanje i AtmSl. Sam izbor funkcija u proračunu nivoa buke uslo-vljen je međurezultatima, što je ilustro-vano kroz dijagram toka na sl. 9. Nakon prihvatanja ulaznih podataka, trajanje proračuna za svako od mernih mesta ne prelazi nekoliko sekundi.
Izlazni podaci unose se delom preko tastature u komandni prozor tokom izvr-šenja samih potprograma (izbor mernog sistema, koordinate mernog mesta, tem-peratura, relativna vlažnost, ime fajla za
smeštanje rezultata, stepen polinoma za aproksimaciju putanje leta), a delom preko unapred formiranih txt fajlova. Za svako memo mesto i svaki pojedinačan let oni nose oznake avion.txt, ambi-jent.txt i putanja.txt i pre proračuna smeštaju se u pomenuti tekući direktori-jum. Prvi sadrži SPL vrednosti snimljene buke, drugi SPL vrednosti ambijentalnog šuma, a treći parametre putanje aviona, tj. vreme, prostorne koordinate (x, y i z) i brzinu u uslovima merenja. U programu se koriste i podaci za poziciju i brzinu aviona na putanji za referentne uslove. Pri promeni tipa aviona, ovi podaci mo-raj u se ažurirati, zamenom txt fajlova refK1.txt, refK2.txt i refK3.txt u radnom folderu sa novim. Slično važi i za prome-ne korekcionih faktora za mikrofon, kada se vrši zamena fajlova NMT1cfr.txt i NMT2cfr.txt.
326
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
Sl. 9 - Dijagram toka pri proračunu EPNL nivoa
Rezultati se automatski beleže u radni folder, generisanjem dva fajla istog imena, ali različite ekstenzije. Prvi je txt formata i sadrži najbitnije rezultate, dok fajl sa eks-tenzijom mat sadrži sve formirane promen-ljive u proračunu, kao i bitne međurezultate.
Pri svakom sledećem startovanju proračuna, pre upotrebe novih ulaznih podataka, potrebno je izbrisati radni pro-stor (Workspace) i komandni prozor.
U procesu formiranja opisanog soft-vera, testiranja su izvršena u određenim fazama na osnovu poređenja rezultata sa podacima iz standarda za poznati set ula-znih podataka. Sledeći korak u njegovom daljem razvoju je formiranje baze podataka koje identifikuju tip aviona u refe-rentnim uslovima i realizaciju grafičkog interfejsa (GUI) radi postizanja bolje ko-risničke transparentnosti.
Sl. 10 - Funkcije F1 i F2
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
327
Sl. 11 - Funkcije F4 i F5
Na sl. 10 i 11 prikazani su osnovni koraci u realizaciji prethodno navedenih funkcija F1, F2, F4 i F5.
Zaključak
U radu je istaknuta neophodnost upotrebe savremene merne opreme sa ra-čunarskom podrškom visoke tačnosti, koja omogućava pristup rezultatima od-mah nakon završenog opita, kao i neop-hodnosti realizacije namenskog softvera radi povećanja efikasnosti merenja i skraćenja vremena obrade i dobijanja ko-načnih rezultata
Literatura:
[1] ICAO Annex 16, Environmental Protection, Volume I -Aircraft Noise, Third Edition, 1993.
[2] Doc. 9501 - Environmental Tehnical Manual on the Use of Procedures in the Noise Certification of Aircraft - ICAO Committee on Aviation Environmental Protection, 1993.
[3] Jurin, G., Pavlović, M.: Određivanje buke radi sertifikacije mlaznih aviona, Vojnotehnički glasnik, str. 36-50, januar -februar 2005.
[4] Jurin, G., Pavlović, M.: Avionska buka i uticaj ambijental-nog šuma na tačnost merenja, Konferencija za ETRAN, Ča-čak, sveska II, str. 401-404, jun 2004.
328
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2007.
