09.2009

ТОНЫ И ШУМЫ В КАБИНЕ ЭКИПАЖА ВОЗДУШНОГО СУДНА. ИСТОЧНИКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

д. т. н. Ю. В. Попов, А. А. Мартынюк, И. А. Красоткина (Межгосударственный авиационный комитет), журнал «Проблемы безопасности полетов»

Содержание:

В данной статье авторы классифицировали все возможные шумы, возникающие в кабине экипажа воздушного судна и записывающиеся на регистраторы речевой информации. Найдены и классифицированы источники и характеристики этих шумов. Кроме того, шумы описаны вероятностными методами и величинами, что дает представление о шумах, как о случайных процессах.

Ключевые слова: шумы; кабина экипажа; регистратор речевой информации.

Классифицировать звуки можно примерно на тоны и шумы. Разделение на эти две группы не очень четкое и в некоторой степени определено субъективными соображениями. Звук представляет собой колебательные движения среды. Если колебания совершаются ритмично, т.е. через определенные промежутки времени повторяются одинаковые фазы звуковой волны, то образующий при этом звук воспринимается как тон. Шумы представляют собой совокупность беспорядочных (хаотических) колебаний, не связанных между собой какой-либо правильной числовой зависимостью, которая характерна для гармонических колебаний, входящих в состав тона. Понятие «шум» весьма субъективно. Всякий не желательный в данный момент звук (или звуки) воспринимается как шум.

Тоны и шумы в кабине экипажа воздушного судна (ВС), возникающие во время полета, регистрируются бортовым устройством записи речи (БУЗ)с помощью открытого микрофона. В качестве специфических звуков, которые регистрирует БУЗ переговоров, являются тоны и шумы, создаваемые различными системами. Этот вид информации оказывает специалистам по расследованию авиационных происшествий (АП) большую помощь, поскольку по записи можно точно определить время возникновения каждого зарегистрированного системой звука. Оборудование и механизмы, находящиеся в кабине экипажа ВС, являются источниками звуков различной частоты и интенсивности, изменяющиеся во времени. Поэтому тоны и шумы в кабине экипажа рассматриваются как совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющиеся во времени.

При разработке методов обработки звуковой информации, зарегистрированной БУЗ, необходимо провести анализ всех источников тонов и шумов с тем, чтобы установить и определить их характеристики.

Характеристики и виды тонов и шумов в кабине экипажа ВС

Тоны и шумы характеризуются спектром, который состоит из звуковых волн различных частот. При исследовании звукового поля кабины экипажа слышимый диапазон 16 Гц – 20 кГц разбивают на полосы частот. По частотной характеристике различают:

- низкочастотную область;

- среднечастотную область;

- высокочастотную область.

Звуковое поле кабины экипажа ВС имеет различные спектральные и временные характеристики. По этим признакам тоны и шумы подразделяются на виды, которые приведены в табл. 1.

Увеличить popov-2009-09-001.gif (20кб)

Согласно ГОСТ 20296-81 шумы в салонах и кабине экипажа самолета (вертолета) нормируется предельными спектрами уровней звукового давления (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц и уровнями звука в дБ А.

Уровни звукового давления на крейсерских режимах полета не должны превышать значений, соответствующих предельным спектрам в кабине самолета и вертолета. Уровни звукового давления в октавных полосах частот, соответствующие этим предельным спектрам, приведены в табл. 2.

Увеличить popov-2009-09-002.gif (11кб)

Источники тонов и шумов в кабине экипажа и их характеристики

Источник звука – это различные колеблющиеся тела. Колебания тела передаются окружающим воздухом. Колебания воздуха, источником которых является колеблющееся тело, называются звуковыми волнами. Звуковые волны образуют звуковое поле.

По природе звуковые волны, образующиеся в кабине экипажа, разделяются на:

- механические;

- аэродинамические;

- электромагнитные.

В полете одновременно возникают тоны и шумы различной природы.

Для оценки и нормирования шума в кабине экипажа ВС применяют систему предельных спектров, рекомендуемых Международной организацией по стандартизации.

Предельные спектры характеризуются номером или индексом, который численно равен уровню звукового давления в октавной полосе 1000 Гц. Другим критерием для оценки шума, исходя из условий обеспечения качественной речевой связи между членами экипажа, является уровень помех разговору (УПР). Имеются несколько способов определения УПР. Они отличаются полосами октав. Предпочтительным считается УПР, рассчитанный как среднеарифметическое значение уровней звукового давления в октавных полосах со среднегеометрической частотой f=500, 1000 и 2000 Гц (обозначен в дальнейшем УПР1). УПР2 определяется путем осреднения уровней для октавных полос f=1000, 2000 и 4000 Гц, а УПР3 - f=500, 1000, 2000 и 4000 Гц. Для оценки и нормирования шума в кабине используется параметр «Уровень звука» - LA (дБ А).

При сертификации ВС уровень шума в кабине экипажа измеряется в заданных контрольных точках. Контрольные точки и метод измерения определены ГОСТ 20296-81. Данная проверка проводится в кабинах экипажей самолетов (вертолетов), подготовленных для эксплуатации на авиалиниях. Нормированные требования по шуму в кабине экипажа ВС относятся лишь к горизонтальному полету, хотя шум при наборе высоты и снижении в ряде случаев может существенно отличаться от значений указанных в ГОСТ. Опыт расследования АП показывает, что шум и тоны, возникающие при неблагоприятных условиях полета, значительно отличаются от шумов и тонов нормального полета.

К числу основных источников, возбуждающих интенсивный аэродинамический шум в кабине экипажа, относятся воздушный поток, обтекающий конструкцию ВС, реактивная струя силовой установки. К источникам механического шума относятся силовая установка, система кондиционирования воздуха и бортовое оборудование. Электромагнитные шумы - случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, которые возникают в результате неравномерной эмиссии электронов в электровакуумных приборах, неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниковых приборах, теплового движения носителей тока в проводниках, теплового излучения Земли и земной атмосферы. Данный вид шумов не оказывает влияние на шумовую картину в кабине экипажа, но оказывает влияние при прослушивании переговоров экипажа, зарегистрированных БУЗ. Шумы электромагнитного происхождения имеют спектр, как правило, близкий к равномерному распределению. Поэтому частотная зависимость порога слышимости имеет тенденцию роста к высоким частотам.

Для описания тона и шума применяют различные математические модели в соответствии с их временной, спектральной и пространственной структурой. Для количественной оценки тона и шума пользуются усредненными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру тона и шума в источнике и свойства среды, в которой шум распространяется.

Основные источники внешних и внутренних тонов и шумов, характер излучаемых тонов и шумов представлены в табл. 3.

Увеличить popov-2009-09-003-1.gif (97кб)

Увеличить popov-2009-09-003-2.gif (69кб)

Физические представления о тонах и шумах как о случайных процессах

Поскольку основные физические процессы, для исследования которых используются методы обработки сигналов и методы корреляционного анализа, являются случайными, рассмотрим представления о случайных процессах (они не так просты, как могут показаться с первого взгляда).

Существует множество физических процессов, для которых зависимость наблюдаемых величин от внешних условий устанавливается с помощью легко обнаруживаемых законов. Процессы, точные законы которых не могут быть использованы для их описания, мы вынуждены рассматривать как случайные. Следовательно, название «случайный» носит в определенном смысле временный характер, поскольку процесс перестает быть случайным, как только для его описания можно использовать точные законы, которым он подчиняется.

Теория случайных функций дает нам мощное средство для исследования явлений, точные законы которых не могут быть использованы непосредственно, путем изучения результата действия точных законов. Такие явления встречаются во всех областях науки.

Рассмотрим речь - процесс, существенно отличающийся от предыдущих. Образование звуковых волн, с помощью которых передается речь, является процессом сложным и не подчиняется простым законам, что придает ему характер случайного. Но слово «случайный» здесь может принимать и другое значение, поскольку речь предназначена для передачи информации. Начиная фразу, член экипажа знает, что он скажет в дальнейшем. Поэтому продолжение фразы, которое будет записана на БУЗ, не является случайным для говорящего. Слушатель записанных переговоров не знает, что будет воспроизведено. Для слушателя воспроизводимые фразы носят случайный характер.

Отметим, что эта невозможность предсказания непосредственно связана с определением информации. Сообщение, которое могло бы быть полностью предсказуемо адресатом, не дало бы никакой информации и считалось бы шумом. Следовательно, сообщение будет сигналом или шумом для адресата в зависимости от того, может или не может адресат извлечь из сообщения информацию. Из этого следует, что физически чрезвычайно трудно отличить шум от сигнала. Важно заранее определить, как будет извлекаться информация из записи.

Таким образом, всякий сигнал при определенных обстоятельствах может быть рассмотрен как случайный, в то же время шум может содержать много информации.

В отличие от детерминированных сигналов, форму которых мы знаем точно, мгновенные значения случайных сигналов заранее не известны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Характеристики сообщений, шумов и тонов являются статистическими, то есть имеют вероятностный вид.

Математическая модель изменяющегося во времени случайного сигнала называется случайным процессом. По определению, случайный процесс X(t) – это функция особого вида, характеризующаяся тем, что значения, принимаемые ею в любой момент времени t, являются случайными величинами.

Для анализа свойств и характеристик случайного процесса, а также различных его преобразований необходимо задать математическую модель случайного процесса. Такая модель может представлять собой описание возможных реализаций случайного процесса в сочетании с указанием относительной частоты их появления. На рисунке приведен пример реализации случайного процесса записанного БУЗ.

Увеличить popov-2009-09-004.gif (206кб)

Рис. Осциллограмма и спектрограмма звукового сигнала, записанного БУЗ

Далее рассмотрим вероятностные характеристики случайных процессов. Определение соответствующих характеристик случайных последовательностей не вызывает особых затруднений.

Функция распределения вероятности, обозначаемая как F(x, t1), равна вероятности того, что в момент времени t1 значение случайного процесса не превосходит х:

F(x,t1)=P(X(t1)≤x).

F(x,t1) является неубывающей функцией, значения которой лежат в диапазоне 0≤F(x, t1)≤1. Для предельных значений х выполняются следующие соотношения:

F(-∞, t1)=0 и F(t1, ∞)=1.

Вероятность попадания значения случайного процесса в интервал [а, b] равна разности значений функции распределения на концах этого интервала:

P(a<X(t1)≤b)=F(b,t1)-F(a,t1).

Одномерная плотность вероятности обозначается p(x, t1) и представляет собой производную от функции распределения:

p(x,t1)=dF(x,t1)/dt.

Знание одномерной вероятности p(x, t1) позволяет произвести статистическое усреднение как самой величины X(t1), так и любой функции от нее. Под статистическим усреднением подразумевается усреднение по множеству (по ансамблю реализаций) в каком-либо сечении процесса, то есть в фиксированный момент времени. Для практических приложений наибольшее значение имеют следующие параметры случайного процесса: математическое ожидание; дисперсия; среднее квадратическое отклонение.

Одномерной плотности вероятности недостаточно для описания поведения случайного процесса во времени. Гораздо больше сведений можно получить, располагая двумя сечениями случайного процесса в произвольные моменты времени t1 и t2 (рис.). Совокупность этих двух сечений образует двумерную случайную величину {X(t1), X(t2)}, которая описывается двумерной плотностью вероятности p(x1,x2,t1,t2).

Описание свойств случайных процессов с помощью многомерных плотностей вероятности высокой размерности может быть весьма подробным, однако на этом пути часто встречаются серьезные математические трудности. К счастью, многие задачи, связанные с описанием случайных сигналов, удается решить на основе двумерной плотности вероятности.

Двумерная плотность вероятности позволяет определить важную характеристику случайного процесса – его ковариационную функцию:

Kх(t1, t2)=M{x{t1)x{t2)}.

Согласно этому определению, ковариационная функция случайного процесса X(t) представляет собой статистически усредненное произведение значений случайной функции X(t) в моменты времени t1 и t2.

При анализе случайных процессов основной интерес представляет их флуктуационная составляющая. В таких случаях применяется корреляционная функция, представляющая собой статистически усредненное произведение значений центрированной случайной функции X(t) – mх(t) в моменты времени t1 и t2 (где mх(t) – математическое ожидание):

Rх(t1, t2)=M{[x(t1) mх(t1)][x(t2)-mх(t2)].

Корреляционная функция характеризует степень статистической связи тех значений случайного процесса, которые наблюдаются при t=t1 и t=t2.

Спектральная (частотная) форма представления сигналов использует разложение сигнальных функций на периодические составляющие. Каждая отдельно взятая реализация случайного процесса представляет собой детерминированную функцию, и к ней можно применить преобразование Фурье. При этом различные реализации будут, естественно, иметь различные спектры. Ряды Фурье в вещественной форме имеют следующий вид:

Увеличить popov-2009-09-005.gif (4кб)

Статью ни в коем случае не следует рассматривать как некое исчерпывающее руководство по определению тонов и шумов, возникающих в кабине экипажа ВС. Это лишь некоторые соображения, свидетельствующие о необходимости тщательного анализа собранных результатов оценки тонов и шумов при расследовании АП.

Tones and noises in crew cocpit.

Their sources and characteristics

Yu. V. Popov, A. A. Martynyuk, I. A. Krasotkina

In this article authors classify all possible noises, which appear in aircraft crew cockpit and record on Cockpit Voice Recorder. Noise sources and their characteristics also have been found and classified. Besides, this article gives the noise description by theory of probability methods and values that represents noise as random process.

Keywords: noises; aircraft crew cockpit; Cockpit Voice Recorder.