La base de datos ANP de flota

Ruido de aeropuertos (ECAC Doc 29) calcula un nivel de evento a partir de una tabla nivel-potencia-distancia y una trayectoria. Esa guía aporta ambas a mano, que es lo que quieres mientras aprendes el método y lo que no quieres nunca después: en un estudio real los números salen de la base de datos Aircraft Noise and Performance (ANP) que publican EASA y EUROCONTROL para los tipos de aeronave que vuelan de verdad.

Esa base se distribuye con phonometry. Esta guía es el puente entre ella y las funciones de Doc 29: cómo abrirla, qué contiene el registro de una aeronave, y cómo pasar de un identificador a un nivel de evento o un contorno sin escribir tú ninguna tabla.

1. Abrir la base de datos

load_anp_database() sin argumentos lee la copia que viene con el paquete. Apúntalo a un directorio para leer cualquier otra exportación CSV de ANP.

from phonometry import load_anp_database

db = load_anp_database()
print(len(db.aircraft_ids))          # 155 tipos de aeronave
ac = db.aircraft("747100")
print(ac.description)                # Boeing 747-100 / JT9DBD
print(ac.engine_type, ac.num_engines, ac.weight_class)
print(ac.power_parameter, ac.mounting)

Las guías hermanas importan el módulo como aircraft y llaman a aircraft.event_level(...) sobre él; aquí ac es un registro de la base de datos, y sus event_level y noise_contour son esas mismas funciones con las tablas NPD y el perfil por defecto ya rellenados. Mantener los dos separados importa si encadenas snippets de las dos páginas.

Un AnpAircraft se describe con el tipo y número de motores y la clase de estela OACI, y lleva dos campos que usarás directamente.

El parámetro de potencia nombra la magnitud con la que está indexada la tabla NPD. Importa porque no es una fuerza en newtons sino lo que tabuló el fabricante, empuje neto corregido en libras para la mayoría de reactores, así que la potencia que pases a level tiene que ir en esas unidades.

El montaje de los motores es el único campo del registro que lee la propia cadena de Doc 29. Se deriva del identificador de directividad lateral de ANP y vale "wing", "fuselage" o "propeller", que selecciona la corrección por instalación de motores que la guía de ruido de aeropuertos aplica a mano. La elección no es cosmética: a ángulos de depresión pequeños el montaje en ala y en fuselaje difieren en más de un decibelio, las hélices no reciben esa corrección, y la flota distribuida se reparte 70 / 55 / 30 entre los tres. Un identificador que la base no reconoce recae en "wing".

Encontrar tu aeronave

Los identificadores son los de la propia base ANP. Se parecen a un designador de tipo de la OACI, pero no son lo mismo, porque un tipo aparece una vez por variante de motor: A320-232 es el A320 con motores IAE y 747100 el 747-100 con JT9D. Busca en las descripciones para encontrar la tuya en lugar de adivinar la cadena:

from phonometry import load_anp_database

db = load_anp_database()
for aid in db.aircraft_ids:
    rec = db.aircraft(aid)
    if "A320" in rec.description:
        print(aid, "|", rec.description, "|", rec.engine_type, "|", rec.mounting)
# A320-211 | Airbus A320-211 / CFM56-5A1 | Jet | wing
# A320-232 | Airbus A320-232 / V2527-A5 | Jet | wing

Casa la variante de motor antes que ninguna otra cosa: cambia los niveles NPD más que cualquiera de las correcciones por segmento.

Cuando tu aeronave no está en la base

Toda lista real de movimientos contiene tipos que la base no tiene, y el remedio aceptado es la sustitución por un tipo acústica y operativamente parecido, no la invención. Casa primero el tipo y el número de motores, y después la clase de peso y el montaje de motores, porque esos cambian la forma de la respuesta en lugar de desplazarla; comprueba que el power_parameter del sustituto es la misma magnitud que el del original, ya que una tabla indexada por empuje neto corregido en libras no admite reglajes de potencia calculados para otra indexada por cualquier otra cosa. Registra la sustitución junto con los resultados: es una hipótesis de modelado, no un detalle. El mismo razonamiento vale un nivel más abajo: un tipo cuyas curvas NPD están tabuladas pero cuya trayectoria no lo está (véase la sección 3) suele modelarse mejor con una trayectoria sustituta y su propia tabla NPD que sustituyendo la aeronave entera.

2. Las curvas nivel-potencia-distancia

npd_curves devuelve la superficie NPD tabulada para una operación ("D" de despegue, "A" de aproximación) y una métrica ("SEL" o "LAmax"): un nivel por cada combinación de reglaje de potencia y distancia oblicua. Entre los nodos tabulados la interpolación de Doc 29 es logarítmica en distancia y lineal en potencia, que es lo que dibujan las curvas de abajo.

Curvas nivel-potencia-distancia de un Boeing 747-100 para tres reglajes de empuje tabulados, con el nivel cayendo con la distancia oblicua en eje logarítmico y marcadores en los nodos tabulados

Los tres reglajes de empuje tabulados van casi paralelos: la potencia sobre todo desplaza el nivel, mientras que la distancia fija la forma. La caída es cercana a la del inverso del cuadrado a corta distancia y se empina a gran distancia a medida que se acumula la absorción, y los marcadores son las únicas distancias sobre las que la base afirma algo: todo lo que queda entre ellos es interpolación de la Doc 29.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
from phonometry import load_anp_database

ac = load_anp_database().aircraft("747100")
curves = ac.npd_curves("D", "SEL")

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
curves.plot(ax=ax, language="es")
ax.set_title(f"Curvas NPD ANP - {ac.description} (SEL, despegue)")
ax.text(0.02, 0.06,
        f"parámetro de potencia: {ac.power_parameter}\n"
        "marcadores: nodos NPD tabulados",
        transform=ax.transAxes, va="bottom", fontsize=9)
plt.show()

from phonometry import load_anp_database

load_anp_database().aircraft("747100").npd_curves("D", "SEL").plot(language="es")

Para leer un valor suelto en vez de dibujar la familia, level interpola a cualquier potencia y distancia:

from phonometry import load_anp_database

curves = load_anp_database().aircraft("A320-232").npd_curves("D", "SEL")
print(curves.powers)                       # [10000. 14000. 19000. 23000.] lb
print(curves.level(19000.0, [304.8, 1000.0, 3000.0]))

El power_parameter del registro nombra esas unidades: nunca supongas newtons.

Las distancias están en metros. La base las tabula en pies, en los diez nodos de Doc 29 de 200 ft a 25000 ft, y este puente convierte al leer para que todo lo de aguas abajo siga en SI.

3. La trayectoria por defecto

El registro de una aeronave lleva además trayectorias por defecto. profile devuelve una como trayectoria de Doc 29: un array (N, 5) de posición sobre la ruta, lateral y vertical más el reglaje de potencia y la velocidad verdadera, con máscaras booleanas que marcan qué segmentos son el recorrido de despegue o el de aterrizaje.

Perfil de despegue por defecto de un Boeing 747-100: altitud frente a distancia sobre la ruta, subiendo desde la pista a lo largo de once puntos fijos, con los puntos del recorrido de despegue marcados a altitud cero

Los primeros puntos están a altitud cero y son el recorrido de despegue. Lo que sigue es el gradiente de subida, y es el gradiente, y no el nivel, lo que decide el contorno, porque fija la distancia oblicua en cada receptor; la misma aeronave con una etapa más larga va más pesada y sube más despacio, así que su huella es más larga y más ancha.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
from phonometry import load_anp_database

ac = load_anp_database().aircraft("747100")
profile = ac.profile("D", stage_length=1)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 6))
profile.plot(ax=ax, language="es")
ax.set_title(f"Perfil de despegue por defecto ANP - {ac.description}")
ax.text(0.98, 0.06,
        f"etapa {profile.stage_length}, "
        f"{profile.path.shape[0]} puntos fijos",
        transform=ax.transAxes, va="bottom", ha="right", fontsize=9)
plt.show()

from phonometry import load_anp_database

load_anp_database().aircraft("747100").profile("D", stage_length=1).plot(language="es")

La longitud de etapa selecciona el tramo de distancia de viaje: una etapa más larga significa más combustible, más peso y una subida más tendida, así que la misma aeronave tiene un perfil por tramo. El Apéndice G3.5 del Vol. 2 de la Doc 29 define los tramos por longitud de viaje en millas náuticas: el 1 es 0-500, el 2 es 500-1 000, el 3 es 1 000-1 500, el 4 es 1 500-2 500, el 5 es 2 500-3 500, el 6 es 3 500-4 500, el 7 es 4 500-5 500, y así en pasos de 1 000 nmi hasta el 10 (7 500-8 500), con el 11 para cualquier cosa más larga y «M» para el alcance máximo con la masa máxima de despegue. El peso de despegue de cada perfil se calcula al alcance representativo del tramo, definido como el mínimo más el 70 % de la horquilla, así que el tramo 1 se pesa a 350 nmi y el tramo 4 a 2 200 nmi. No todas las aeronaves vuelan todos los tramos, y los perfiles de punto fijo que se distribuyen cubren las etapas 1 a 7 para despegues y solo la 1 para llegadas.

Solo se leen como trayectorias listas para usar los perfiles de punto fijo. La mayoría de las entradas ANP describen sus despegues como pasos de procedimiento (sube a este régimen hasta tal altitud, acelera, repliega flaps), que hay que volar a través de un modelo de mecánica del vuelo antes de que sean una trayectoria. Ese modelo queda fuera de este puente, así que de las 155 aeronaves de la base distribuida 13 tienen perfil de despegue de punto fijo y 20 perfil de llegada de punto fijo. Pedir uno que no existe lanza un KeyError que nombra las etapas que sí, que es además la forma de descubrir los tramos que una aeronave trae de verdad:

from phonometry import load_anp_database

db = load_anp_database()
for identifier, operation, stage in (("A320-232", "D", 1), ("747100", "D", 9)):
    try:
        db.profile(identifier, operation, stage)
    except KeyError as exc:
        print(exc)
# ... 'A320-232', operation 'D', stage length 1 (available stage lengths: [])
# ... '747100', operation 'D', stage length 9 (available: [1, 2, 3, 4, 5, 6])

Una lista vacía significa que el tipo no tiene ningún perfil de punto fijo y necesita una trayectoria sustituta; una no vacía significa que has pedido un tramo que esa aeronave no vuela. Las curvas NPD, en cambio, están tabuladas para todas las aeronaves de la base.

4. Directo a un nivel de evento o un contorno

Con las dos mitades en el registro, la aeronave puede ejecutar ella misma la cadena de Doc 29. event_level coloca un sobrevuelo en un receptor y noise_contour lo barre sobre una malla de tierra, cableando cada uno las curvas NPD y el perfil por defecto en las funciones que la guía de ruido de aeropuertos construye a mano.

El observador es (x, y, z) en metros en el sistema de la pista, y el origen de ese sistema no es el límite del aeropuerto: $x$ corre a lo largo del eje de pista con $x = 0$ en el inicio del recorrido de despegue para una salida y en el umbral de aterrizaje para una llegada, así que los perfiles de llegada llevan $x$ negativa en aproximación final. Los datos que se distribuyen lo dicen sin rodeos: db.profile("747100", "D", 1).path[0] empieza en $x = 0$ (suelta de frenos) y termina 39,5 km más allá, mientras que db.profile("707", "A", 1).path[0] empieza en $x = - 34, 9$ km y acaba 1,5 km pasado el umbral, de modo que los dos sistemas están a casi 35 km uno del otro. $y$ es el desplazamiento lateral respecto al eje de pista prolongado, positivo a estribor del sentido de la marcha; su signo es lo que elige la rama de ángulo de depresión de la regla de segmento en viraje. $z$ es la altura del receptor sobre el terreno local, dejada en 0 en estos ejemplos, donde Doc 29 mide a 1,2 m, normalmente una diferencia por debajo del decibelio.

Tres argumentos deciden el resto, y dos de ellos son silenciosos. La métrica vale por defecto el nivel de exposición sonora, con "LAmax" disponible si se pide; la longitud de etapa vale por defecto 1, el tramo de distancia de viaje más corto y por tanto la subida más empinada y la huella más pequeña; y los opcionales temperature y pressure vuelven a referir los niveles tabulados desde la impedancia acústica específica de referencia al aire del aeródromo, y valen por defecto los 15 °C y 101,325 kPa de la atmósfera estándar. Ese último par es un término de contabilidad y no una corrección meteorológica: en la atmósfera estándar vale +0,07 dB, y rara vez pasa de unas décimas. Los niveles NPD siguen llevando dentro la absorción de la atmósfera a la que se redujeron, y la cadena no ofrece ninguna corrección de banda dependiente de la humedad, así que un aeródromo caluroso y seco no se modela pasándole su temperatura.

from phonometry import load_anp_database

ac = load_anp_database().aircraft("747100")
flyover = ac.event_level([3000.0, 500.0, 0.0], "D")
print(round(float(flyover.level), 1))     # 100.4 dB

Ese es el nivel de exposición sonora de evento único de un despegue de 747-100 en un receptor a 3 km traza abajo y 500 m a un costado de ella. Aparta el receptor hasta 1 500 m de separación lateral y cuesta más que la distancia añadida sola, porque la atenuación lateral se enciende a medida que el ángulo de elevación cae por debajo de 50°.

import numpy as np
from phonometry import load_anp_database

ac = load_anp_database().aircraft("747100")
contour = ac.noise_contour(
    "D",
    x=np.linspace(-2000.0, 12000.0, 40),
    y=np.linspace(-3000.0, 3000.0, 30),
)
print(contour.level.shape)      # (30, 40): un SEL por punto de la malla
contour.plot(language="es")

La malla se indexa (y, x), que es la razón por la que la forma es (30, 40) y no al revés. La comprobación más barata de que la malla y la trayectoria están en el mismo sistema es que el máximo del array coincida con una llamada a event_level en el punto de malla donde ocurre.

Contorno de nivel de exposición sonora de evento único de un despegue de Boeing 747-100 calculado a partir de la base ANP distribuida, sobre una malla de 14 km a lo largo de la traza por 6 km de ancho. El recorrido de despegue se dibuja como una barra gruesa sobre la pista y la traza en tierra por defecto como una línea a trazos a lo largo de y igual a cero; la huella es más intensa sobre el recorrido y la primera parte de la subida y se estira traza abajo, hasta unos 8 km en el contorno de 95 dB y 12 km en el más exterior, y el receptor de event_level a 3 km a lo largo de la traza y 500 m a un costado está marcado con su nivel de evento único de 100,4 dB

La huella real del 747-100, a partir de las propias tablas NPD y del perfil de despegue por defecto de la base: cuatro líneas de código y nada escrito a mano. Es más estrecha y mucho más alargada que el contorno didáctico de la guía de ruido de aeropuertos, porque un perfil de subida real pone el avión arriba enseguida y la parte ruidosa del suceso se queda cerca de la pista. El receptor marcado es la llamada a event_level de arriba, así que las dos mitades de esta sección son el mismo cálculo en un punto y en 1 200 de ellos.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from phonometry import load_anp_database

ac = load_anp_database().aircraft("747100")
profile = ac.profile("D", stage_length=1)
x = np.linspace(-2000.0, 12000.0, 40)
y = np.linspace(-3000.0, 3000.0, 30)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 5.5))
ac.noise_contour("D", x=x, y=y).plot(ax=ax, language="es")   # la gráfica va en kilómetros
inside = profile.path[:, 0] <= x.max()
ax.plot(profile.path[inside, 0] / 1000.0, profile.path[inside, 1] / 1000.0,
        "k--", lw=1.4, label="traza en tierra por defecto")
ax.plot([3.0], [0.5], "o", ms=8,
        label=f"receptor de event_level: SEL {float(flyover.level):.1f} dB")
ax.set_xlim(x.min() / 1000.0, x.max() / 1000.0)
ax.set_ylim(y.min() / 1000.0, y.max() / 1000.0)
ax.legend(loc="lower left", fontsize=8)
plt.show()

Todo lo que devuelven estos dos es el mismo tipo de resultado que usa la guía de ruido de aeropuertos, así que el dibujo, la extracción de contornos y el desglose por segmentos funcionan igual.

Qué cubre esta guía

Cubierto
Abrir la base ANP de EASA distribuida con el paquete (u otra exportación CSV de ANP) con load_anp_database; qué contiene el registro de una aeronave, incluidos el parámetro de potencia con el que se indexa su tabla NPD y el montaje de motores que lee la cadena de Doc 29; leer e interpolar la superficie NPD con npd_curves y level; las trayectorias de punto fijo por defecto y sus tramos de etapa; y ejecutar el nivel de evento único y el contorno en malla de Doc 29 desde un identificador de aeronave con event_level y noise_contour.
No cubierto
Los perfiles de pasos de procedimiento, que es como describen su despegue la mayoría de las entradas ANP: convertirlos en una trayectoria exige el modelo de mecánica del vuelo de Doc 9911 de la OACI, que este puente no implementa, así que solo las 13 aeronaves con perfil de despegue de punto fijo, y las 20 con perfil de llegada de punto fijo, tienen trayectoria lista para usar. La base además solo se lee, nunca se escribe: phonometry distribuye la versión 2.3 y no la actualiza.

Véase también

Páginas de otras áreas del sitio en las que se apoya esta sección:

Ruido de aeropuertos (ECAC Doc 29): el método en sí, construido con una tabla NPD y una trayectoria escritas a mano.
Ruido de aeronaves: nivel efectivo de ruido percibido: la métrica de certificación, que se mide en vez de tabularse.
Referencia de la API: aircraft.anp_fleet.

Referencias

European Civil Aviation Conference. (2016). Report on standard method of computing noise contours around civil airports, Volume 2: Technical guide (ECAC.CEAC Doc 29, 4th ed.). Las convenciones NPD y de perfil que sigue la base, y la cadena de evento único que alimentan los registros de aeronave. El PDF enlazado es la descarga gratuita; los volúmenes están catalogados en la página de documentos de ECAC (https://www.ecac-ceac.org/documents/ecac-documents-and-international-agreements).
European Union Aviation Safety Agency. (2020). Aircraft Noise and Performance (ANP) database, version 2.3. EASA / EUROCONTROL. Las tablas NPD, los metadatos de aeronave y los perfiles de punto fijo por defecto que lee esta guía. La base la publican EASA y EUROCONTROL y se distribuye con phonometry; su procedencia está registrada en aircraft/data/anp/PROVENANCE.md.

Creado y mantenido por José Manuel Requena Plens ORCID Todos los proyectos