ISO 17201-2:2006
(Main)Acoustics — Noise from shooting ranges — Part 2: Estimation of muzzle blast and projectile sound by calculation
Acoustics — Noise from shooting ranges — Part 2: Estimation of muzzle blast and projectile sound by calculation
ISO 17201-2:2006 specifies methods for estimating the acoustic source data of muzzle blast and explosions and the source data of projectile sound on the basis of non-acoustic data for firearms with calibres less than 20 mm and explosions less than 50 g TNT equivalent. It addresses those cases where no source measurements exist, or where the data necessary to calculate projectile sound according to ISO 17201-4 are unknown. An example of this situation would be measuring projectile sound from shot gun pellets. It can also be used as an interpolation method between measurements of muzzle blast. It is not applicable to the prediction of sound levels for the assessment of hearing damage and cannot be used to predict sound pressure levels or sound exposure levels below a specific distance where linear acoustics does not apply.
Acoustique — Bruit des stands de tir — Partie 2: Estimation de la détonation à la bouche et du bruit du projectile par calcul
L'ISO 17201-2:2006 spécifie des méthodes pour estimer les données acoustiques de source du bruit à la bouche et des explosions et les données de source du bruit du projectile, sur la base de données non acoustiques, pour les armes à feu de calibre inférieur à 20 mm et les charges explosives inférieures à 50 g d'équivalent TNT. L'ISO 17201-2:2006 traite des cas où il n'existe aucun mesurage de la source ou de ceux où les données nécessaires au calcul du bruit du projectile selon l'ISO 17201-4 ne sont pas connues, ce qui est notamment le cas du bruit de projectile de la grenaille tirée par des fusils de chasse. L'ISO 17201-2:2006 peut également servir de méthode d'interpolation entre des mesures du bruit à la bouche. L'ISO 17201-2:2006 ne s'applique pas à l'estimation des niveaux sonores pour l'évaluation des dommages auditifs. Elle ne peut pas non plus servir à prédire les niveaux de pression acoustique ou d'exposition sonore en deçà d'une distance spécifique où l'acoustique linéaire ne s'applique pas.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17201-2
First edition
2006-07-01
Acoustics — Noise from shooting
ranges —
Part 2:
Estimation of muzzle blast and projectile
sound by calculation
Acoustique — Bruit des stands de tir —
Partie 2: Estimation de la détonation à la bouche et du bruit du projectile
par calcul
Reference number
ISO 17201-2:2006(E)
©
ISO 2006
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ISO 17201-2:2006(E)
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Published in Switzerland
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ISO 17201-2:2006(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
3.1 General. 1
3.2 Directivity. 5
3.3 Energy. 5
3.4 Fraction. 7
3.5 Projectile. 7
4 Estimation model for source data of the muzzle blast . 8
4.1 General. 8
4.2 Estimation of chemical energy. 9
4.3 Estimation of acoustic energy. 9
4.4 Estimation of the Weber energy. 9
4.5 Estimation of directivity . 9
4.6 Estimation of the spectrum . 9
5 Estimation model for projectile sound . 10
5.1 General. 10
5.2 Estimation of projectile sound source energy . 11
6 Sound exposure. 12
7 Uncertainty of estimation. 15
Annex A (informative) Simple blast model for estimation of sound energy and its spectrum . 16
Annex B (informative) Quality of input data . 18
Annex C (informative) Examples for estimation of muzzle blast. 21
Annex D (informative) Estimation of sound exposure of projectile according to Figure 3
flowchart — Example. 29
Bibliography . 31
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ISO 17201-2:2006(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 17201-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 43, Acoustics, Subcommittee SC 1, Noise.
ISO 17201 consists of the following parts, under the general title Acoustics — Noise from shooting ranges:
⎯ Part 1: Determination of muzzle blast by measurement
⎯ Part 2: Estimation of muzzle blast and projectile sound by calculation
⎯ Part 4: Prediction of projectile sound
The following parts are under preparation:
⎯ Part 3: Guidelines for sound propagation calculations
⎯ Part 5: Noise management
The initiative to prepare a standard on impulse noise from shooting ranges was taken by AFEMS, the
Association of European Manufacturers of Sporting Ammunition, in April 1996, by the submission of a formal
proposal to CEN. After consultation in CEN in 1998, CEN/TC 211, Acoustics, asked ISO/TC 43/SC 1, Noise,
to prepare the ISO 17201 series.
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ISO 17201-2:2006(E)
Introduction
Two basic sources dominate the shooting sound from firearms: the muzzle blast and the projectile sound.
These two sources are basically different. The explosion blast from devices can be treated as muzzle blast.
The muzzle blast is caused by the expanding gases of the propellant at the muzzle. The muzzle blast can be
modelled based on essentially less spherical volume of these gases at that moment when the expansion
speed becomes subsonic.
The projectile sound is caused by the supersonic flight of the projectile along the trajectory from the muzzle to
the target or to a point on the trajectory where the projectile speed becomes subsonic. The projectile sound
stems from a section of the trajectory that coherently radiates a shock wave into a certain direction.
In general, the procedures for estimating the source energy depends on the estimation of energies that are
involved in related processes. The procedures give estimates for the fraction of these energies that transforms
into acoustic energy. The result of the estimation is a set of acoustical source data with respect to energy,
direction and frequency content.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 17201-2:2006(E)
Acoustics — Noise from shooting ranges —
Part 2:
Estimation of muzzle blast and projectile sound by calculation
1 Scope
This part of ISO 17201 specifies methods for estimating the acoustic source data of muzzle blast and
explosions and the source data of projectile sound on the basis of non-acoustic data for firearms with calibres
less than 20 mm and explosions less than 50 g TNT equivalent.
This part of ISO 17201 addresses those cases where no source measurements exist or where the data
necessary to calculate projectile sound according to ISO 17201-4 are unknown. An example of this situation
would be measuring projectile sound from shot guns pellets. This part of ISO 17201 can also be used as an
interpolation method between measurements of muzzle blast.
Source data are given in terms of spectral angular source energy covering the frequency range from 12,5 Hz
to 10 kHz and can be used as data input for sound propagation calculation.
This part of ISO 17201 is not applicable to the prediction of sound levels for the assessment of hearing
damage and cannot be used to predict sound pressure levels or sound exposure levels below a specific
distance where linear acoustics does not apply.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 17201-1:2005, Acoustics — Noise from shooting ranges — Part 1: Determination of muzzle blast by
measurement
ISO 17201-4, Acoustics — Noise from shooting ranges — Part 4: Prediction of projectile sound
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 17201-1 and the following apply.
3.1 General
3.1.1
air density
ρ
density of air for the estimation conditions
3
NOTE The air density is expressed in kilograms per cubic metre (kg/m ).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.1.2
angular frequency
ω
frequency multiplied by 2π
NOTE The angular frequency is expressed in radians per second (rad/s) in all formulae.
3.1.3
coordinate system (x, y)
plane coordinate system describing geometry, where the x-axis denotes the line of fire with x = 0 at the muzzle,
and the y-axis measures the perpendicular distance from the line of fire in any plane around the line of fire
NOTE 1 The sound field of projectile sound is rotational symmetric around the line of fire.
NOTE 2 The coordinates are given in metres (m).
3.1.4
cosine-coefficients
c
1,2…N
coefficients of the cosine-transform used to describe the directivity of the angular source energy
3.1.5
deceleration angle
ε
difference between the radiation angle at the beginning and end of a part of the trajectory
NOTE The deceleration angle is expressed in radians (rad) in all formulae.
3.1.6
specific chemical energy
u
specific chemical energy content of the propellant
NOTE The specific chemical energy is usually expressed in joules per kilogram (J/kg)
3.1.7
line of fire
continuation of the axis of the barrel
See Figure 1.
NOTE Ballistic trajectories can be described as a sequence of straight lines. Then the methods apply to each
segment. Corrections of the aiming device are ignored.
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ISO 17201-2:2006(E)
a) Side or elevation view
b) Top or plan view
Key
1 muzzle
2 barrel
3 sight
4 line of fire
5 line of sight
6 target
7 trajectory
8 height of sight
Figure 1 — Line of fire and line of sight
3.1.8
projectile sound source energy
Q
p
acoustic energy from a trajectory length of one metre
NOTE 1 The projectile sound source energy is expressed in joules (J).
NOTE 2 See also 3.3.6.
3.1.9
propellant mass
m
c
mass of the propellant
NOTE The propellant mass is expressed in kilograms (kg).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.1.10
radiation angle
ξ
angle between the line of fire and the wave number vector describing the local direction of the propagation of
the projectile sound
NOTE 1 The radiation angle is expressed in radians (rad) in all formulae.
NOTE 2 ξ is the 90° complement of the Mach angle.
3.1.11
angle alpha
α
angle between the line of fire and a line from the muzzle to the receiver
NOTE 1 See ISO 17201-1:2005, Figure 3.
NOTE 2 The angle alpha is expressed in radians (rad) in all formulae.
3.1.12
sound exposure
E
time integral of frequency-weighted squared instantaneous sound pressure over the event duration time
2
E = pt dt
()
∫
T
2
NOTE The sound exposure is expressed in pascal-squared seconds (Pa ⋅s).
3.1.13
sound exposure level
L
E
ten times the logarithm to the base 10 of the ratio of the sound exposure to a reference value
NOTE 1 The sound exposure level is expressed in decibels.
NOTE 2 See also ISO 1996-1.
NOTE 3 The sound exposure level of a single burst of sound or transient sound with duration time is given by the
formula
2
⎡⎤
pt()
L = 10lg⎢⎥dt dB
E
∫
2
⎢⎥
pT
⎣⎦T 00
where
p(t) is the instantaneous sound pressure as a function of time;
2 2
p T is the reference value [(20 µPa) × 1 s].
0 0
3.1.14
speed of sound in air
c
speed of sound for the estimation condition
NOTE The speed of sound in air is expressed in metres per second (m/s).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.1.15
divergent area
S
S
size of the area at a certain distance from the trajectory through which the sound radiated from the respective
path of the trajectory is propagating
2
NOTE The divergent area is expressed in square metres (m ).
3.1.16
propagation distance
r
S
distance between the source point of projectile sound, P , and the receiver point, P ,
S R
NOTE The propagation distance is expressed in metres (m).
3.1.17
Weber radius
R
W
radius of an equivalent radiating sphere of the “simple model of explosion”
NOTE The Weber radius is expressed in metres (m).
3.1.18
Weber pressure
p
W
sound pressure at the surface of the Weber sphere
NOTE The Weber pressure is expressed in pascals (Pa).
3.2 Directivity
3.2.1
correction factor due to source directivity
c
S
correction taking into account that different orders of Fourier functions contribute differently to the energy
3.2.2
directivity factor
Y(α)
directivity function in the direction of α
3.3 Energy
3.3.1
effective angular source energy distribution
Q (α)
Y
effective energy radiated into the direction α, weighted by directivity
NOTE The effective angular source energy distribution is expressed in joules per steradian (J/sr).
3.3.2
total acoustic source energy
Q
e
total acoustic energy after integration of Q (α) over the whole sphere
Y
NOTE The total acoustic energy is expressed in joules (J).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.3.3
energy in the propellant gas
Q
g
energy in the gaseous efflux of the propellant at the muzzle
NOTE The energy in the propellant gas is expressed in joules (J).
3.3.4
kinetic energy loss
Q
l
difference in projectile energy of the translatory motion on a part of the trajectory of 1 m length due to air drag
NOTE The kinetic energy loss is expressed in joules (J).
3.3.5
muzzle source energy
Q
m
total acoustic energy of the muzzle blast
NOTE The muzzle source energy is expressed in joules (J).
3.3.6
projectile sound source energy
Q
p
product of the kinetic energy loss, Q , and the acoustical efficiency, σ
l ac
NOTE 1 The projectile sound source energy is expressed in joules (J).
NOTE 2 See also 3.1.8.
3.3.7
projectile muzzle kinetic energy
Q
p0
kinetic energy of the projectile at the muzzle
NOTE The projectile muzzle kinetic energy is expressed in joules (J).
3.3.8
propellant energy
Q
c
total chemical energy of the propellant
NOTE The propellant energy is expressed in joules (J).
3.3.9
Weber energy density
Q
W
energy density of a Weber source with a Weber radius of 1 m
3
NOTE The Weber energy is expressed in joules per cubic metre (J/m ).
3.3.10
reference Weber energy
Q
W,1
Weber energy for a mass of propellant having a Weber radius of 1 m
NOTE The reference Weber energy is expressed in joules (J).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.3.11
angular source energy distribution
S (α)
q
acoustic energy radiated from the source into the far field per unit solid angle
NOTE 1 The acoustic energy radiated by the source within a narrow cone centred around the direction α is
dQ
S ()α =
q
dΩ
where Ω is the solid angle in steradian (sr).
NOTE 2 The angular source energy distribution is expressed in joules per steradian (J/sr).
3.4 Fraction
3.4.1
kinetic fraction
σ
cp
ratio of the projectile kinetic energy, Q , to propellant energy, Q
p c
NOTE The efficiency is the kinetic fraction, expressed as percentage.
3.4.2
gas fraction
σ
cg
ratio of the energy in the exhausted gases, Q , of the propellant after the shot to the propellant energy, Q
g c
3.4.3
acoustical efficiency
σ
ac
ratio of an energy that converts into acoustic energy
3.5 Projectile
3.5.1
projectile diameter
d
p
diameter at the maximum cross section of the projectile
NOTE The projectile diameter is expressed in metres (m).
3.5.2
projectile launch speed
v
p0
speed of the projectile at the muzzle
NOTE The projectile launch speed is expressed in metres per second (m/s).
3.5.3
projectile length
l
p
total length of the projectile
NOTE The projectile length is expressed in metres (m).
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ISO 17201-2:2006(E)
3.5.4
projectile mass
m
p
mass of the projectile, for shotguns the total mass of the pellets
NOTE The projectile mass is expressed in kilograms (kg).
3.5.5
projectile speed
v
p
speed of the projectile along the trajectory
NOTE The projectile speed is expressed in metres per second (m/s).
3.5.6
projectile speed change
κ
local change of projectile speed along the trajectory per length unit of trajectory
NOTE The projectile speed change is expressed in reciprocal seconds [(m/s)/m = 1/s].
3.5.7
Mach number
M
ratio of projectile speed to local sound speed
4 Estimation model for source data of the muzzle blast
4.1 General
If possible, the muzzle blast source data should be determined according to ISO 17201-1.
This clause specifies methods for the estimation of acoustic source data of muzzle blast and explosions.
Firearm muzzle blast is highly directive. Both angular source energy distribution and spectrum vary with angle
from the line of fire.
For the propagation calculations, frequency and angle-dependent source data are required as input data.
Such detailed emission data, measured according to ISO 17201-1, are not readily available for a large variety
of weapons and ammunition and there is a need to estimate the data from other technical information. This
method may also be applied for explosives. For muzzle blasts, linear acoustics applies if the peak pressure is
below 1 kPa.
NOTE This method might not be suitable for firearms fitted with muzzle devices that influence the blast field, for
example, a muzzle brake that reduces recoil by deflecting propellant gas flow as it exists from muzzle.
The method is separated in two parts: firstly, the acoustic energy of the shot shall be estimated; secondly, the
directional pattern of the source is to be applied and the spectrum calculated. The procedure allows the use of
very general data or, if available, specific data to provide a more accurate result. Therefore, the procedure
allows the use of alternatives such as default values or specific values for certain parameters.
Due to this flexibility a flow chart is used to describe the steps of the procedure, including equations. In
Figure 2 the left part of the flow chart shows how to estimate the muzzle source energy that is to be used in
the right part of the flow chart to determine the acoustical source data. Branches in the flow chart that are
alternatives are depicted by a logical sign “or”, ⊕. The logical sign for “and”, ⊗, means that both sets of
information are needed to continue. The symbol xˆ denotes an default input value for the parameter x. If the
parameter x is not known the default value may be used. Numbers at the top of boxes are the equation
reference numbers.
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ISO 17201-2:2006(E)
The standard-estimation is to be obtained by following the scheme (see Figure 2) along the given default
parameters for all coefficients. This estimation is mandatory for the report. If a different value for any
coefficient is used the reason for this shall be stated.
4.2 Estimation of chemical energy
The key quantity for estimating the acoustic energy is the total chemical energy involved, Q . If Q is not
c c
known, two alternatives exist for determining Q . The left-hand branch uses the kinetic energy of the projectile,
c
Q , either known directly or alternatively calculated from the mass and projectile launch speed of the
p0
projectile [see Equation (1), in Figure 2]. The projectile energy is a fraction of the total energy. If the fraction
σ is not known, 35 % should be used as default. Equation (2) in Figure 2 then determines Q . The right hand
cp c
branch uses the mass of propellant or explosives. The impetus (conversion factor), u, depends on the type of
propellant (e.g. 4 310 J/kg for TNT, or 5 860 J/kg for PETN). If the specific chemical energy, u, is not known a
value of u = 4 500 J/kg should be used.
4.3 Estimation of acoustic energy
The energy Q is partially converted into heat and into the kinetic energy of the remaining gas (Q ), heat and
c g
friction between the barrel and projectile, and the kinetic energy of the projectile (Q ) or accelerated material,
p0
[11]
respectively. The inner ballistics, in case of guns, will determine this balance . A fraction of 45 % in Q
c
should be used as the default value for Q , the only source of energy in the muzzle blast. Equation (5)
g
accounts for the efficiency of the conversion of energy in the propellant gas, Q , into the total acoustic energy
g
of the muzzle blast, Q .
m
4.4 Estimation of the Weber energy
The part on the right of Figure 2 shows the flow chart used to determine the Weber energy, Q , which is the
W
energy density of a Weber source with the Weber radius of 1 m.
4.5 Estimation of directivity
For rotational symmetric radiation around the line of fire, the directional pattern of the source is described by a
Fourier-series with respect to the angle α relative to the line of fire. If the directivity pattern, c , is not known,
n
the matrix shown as Equation (6) in Figure 2 gives a list of default values for some weapons. Applying the
directivity, Y, to Q in Equation (10) in Figure 2 yields the energy that flows through the slice, including the
e
directional pattern of the source.
4.6 Estimation of the spectrum
The next two steps in Equations (11) and (12) in Figure 2 use an acoustical model of explosions in air which
allows an estimation of the Fourier-spectrum of the angular source energy distribution, where α is the direction
as described in the Annex A, see also Reference [8]. The default values are validated model parameters and
should only be changed if relevant information is available. The integral in Equation (12) should be integrated
numerically; there is no known analytical solution. This estimation method should not be used for the
prediction of peak pressure values or similar quantities.
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ISO 17201-2:2006(E)
NOTE Numbers at above right of the boxes are the numbers of the equations, as referenced in the text. For
additional information with regard to Equations (11) and (12), see Annex A.
Figure 2 — Flow chart of estimation procedure for muzzle blast source data
5 Estimation model for projectile sound
5.1 General
If possible, the projectile sound source data should be determined according to ISO 17201-4.
The free field sound exposure level of projectile sound should be calculated using ISO 17201-4. However,
ISO 17201-4 is applicable only if the parameters of the shot are known. If this is not the case the following
procedure may be used.
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ISO 17201-2:2006(E)
This estimation procedure assumes that a certain portion of the kinetic energy of the projectile moving with
supersonic speed is transferred into a shock wave. The method predicts acoustic energy from the shock wave.
From this energy the sound exposure is calculated assuming linear acoustics. For N-waves linear behaviour is
assumed if the peak pressure is below 100 Pa.
The trajectories are assumed to be a straight line, however, this method also applies to ballistic trajectories
which can be approximated by a set of straight lines.
The so-called standard-estimation is obtained by following scheme (see Figure 3) along the given default
parameters for all coefficients. This estimation is mandatory for the report. If a different value for any
coefficient is used, the reason shall be stated.
5.2 Estimation of projectile sound source energy
Figure 3 shows how to estimate the projectile sound source energy for a shot. The projectile sound source
energy, Q , is the product of the kinetic energy loss, Q , and the acoustical efficiency, σ . If σ is known for
p l ac ac
the projectile under consideration this value should be used, or σ = 0,25 should be used as default.
ac
If κ, v and the position of the muzzle are known, the speed and the trajectory of the projectile are known
p0
from Equation (13) in Figure 3. Equation (14) gives the loss of kinetic energy per metre. Equation (15) gives
the source energy of projectile sound.
NOTE There may be different ways to estimate some of the parameters shown in the flow chart of Figure 3. For
example, if the speed of the projectile, v , is known at different distances, κ can be estimated using a linear regression.
p
NOTE 1 Numbers at above right of the boxes are the equation numbers, as referenced in the text.
NOTE 2 r is 1 m.
0
Figure 3 — Flow chart for estimating projectile sound source energy
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ISO 17201-2:2006(E)
6 Sound exposure
The sound exposure depends on the path length from the source position to the reception point
(see Figure 4):
2
E ()rp= (r,t)dt (16)
SS S
∫
where subscript S denotes all parameters which relate the source position on the trajectory to the reception
position.
Key
x line of fire
y perpendicular direction to the line of fire in any direction around the line of fire
F trajectory length
P position of the muzzle
M
P position of target or point on trajectory of fire where projectile becomes subsonic
t
P reception point
R
Figure 4 — Shock front geometry for two time periods, I and II
12 © ISO 2006 – All rights reserved
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ISO 17201-2:2006(E)
Key
x line of fire
y perpendicular direction to the line of fire in any direction around the line of fire
F trajectory length
P position of muzzle
M
P position of target or point on trajectory of fire where projectile becomes subsonic
t
P reception point
R
NOTE For more information, see Figure 4.
Figure 5 — Shock front geometry at period II
The distance, r , shall be sufficiently large to ensure that the peak pressure levels is less than 100 Pa so that
S
linear acoustics apply. Therefore, the estimation of the projectil
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17201-2
Première édition
2006-07-01
Acoustique — Bruit des stands de tir —
Partie 2:
Estimation de la détonation à la bouche
et du bruit du projectile par calcul
Acoustics — Noise from shooting ranges —
Part 2: Estimation of muzzle blast and projectile sound by calculation
Numéro de référence
ISO 17201-2:2006(F)
©
ISO 2006
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ISO 17201-2:2006(F)
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
3.1 Généralités . 2
3.2 Directivité. 5
3.3 Énergie. 5
3.4 Fraction. 7
3.5 Projectile. 7
4 Modèle d'estimation des données relatives à la détonation à la bouche . 8
4.1 Généralités . 8
4.2 Estimation de l'énergie chimique. 9
4.3 Estimation de l'énergie acoustique . 9
4.4 Estimation de l'énergie de Weber . 9
4.5 Estimation de la directivité . 9
4.6 Estimation du spectre . 9
5 Modèle d'estimation du bruit du projectile .10
5.1 Généralités . 10
5.2 Estimation de l'énergie acoustique émise par le projectile . 11
6 Exposition sonore. 12
7 Incertitude de l'estimation . 15
Annexe A (informative) Modèle d'explosion simple pour l'estimation de l'énergie sonore et de son
spectre . 16
Annexe B (informative) Qualité des données d'entrée. 18
Annexe C (informative) Estimation du bruit à la bouche — Exemples. 21
Annexe D (informative) Estimation de l'exposition sonore du bruit du projectile selon le
diagramme de la Figure 3 — Exemple.29
Bibliographie . 31
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 17201-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 43, Acoustique, sous-comité SC 1, Bruit.
L'ISO 17201 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Acoustique — Bruit des stands
de tir:
⎯ Partie 1:Mesurage de l'énergie sonore en sortie de bouche
⎯ Partie 2: Estimation de la détonation à la bouche et du bruit du projectile par calcul
⎯ Partie 4: Estimation du bruit du projectile
Les parties suivantes sont en préparation:
⎯ Partie 3: Lignes directrices pour le calcul de la propagation sonore
⎯ Partie 5: Gestion du bruit
L'initiative d'élaborer une norme sur le bruit impulsionnel des stands de tir a été prise par l'AFEMS
(Association of European Manufacturers of Sporting Ammunition, l'association des fabricants européens de
munitions pour le tir sportif), en avril 1996, sous la forme d'une proposition formelle au CEN (le
document CEN 1085 y fait référence). Après consultation du CEN en 1998, le CEN/TC 211, Acoustique, a
demandé à l'ISO/TC 43/SC 1, Bruit, d'élaborer l'ISO 17201.
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ISO 17201-2:2006(F)
Introduction
Deux principales sources dominent le bruit émis par les tirs des armes à feu: la détonation à la bouche et le
bruit du projectile. Ces deux sources sont radicalement différentes. Le bruit de l'explosion des engins peut
être traité comme le bruit à la bouche.
La détonation à la bouche est provoquée par l'expansion des gaz de la charge propulsive au niveau de la
bouche. Elle peut être modélisée sur la base d'un volume essentiellement sphérique de ces gaz au moment
où la vitesse d'expansion devient subsonique.
Le bruit du projectile est provoqué par le vol supersonique du projectile le long de la trajectoire allant de la
bouche à la cible ou à un point de la trajectoire auquel la vitesse du projectile devient subsonique. Le bruit du
projectile provient d'une section de la trajectoire qui rayonne une onde de choc dans une certaine direction.
En général, les méthodes visant à estimer l'énergie émise par ces sources reposent sur l'évaluation des
énergies impliquées dans les processus concernés. Ces méthodes donnent des estimations pour la fraction
de ces énergies qui se transforme en énergie acoustique. Le résultat de l'estimation produit des données
acoustiques en fonction de l'énergie, de la direction et du contenu fréquentiel.
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NORME INTERNATIONALE ISO 17201-2:2006(F)
Acoustique — Bruit des stands de tir —
Partie 2:
Estimation de la détonation à la bouche et du bruit du projectile
par calcul
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 17201 spécifie des méthodes pour estimer les données acoustiques de source du
bruit à la bouche et des explosions et les données de source du bruit du projectile, sur la base de données
non acoustiques, pour les armes à feu de calibre inférieur à 20 mm et les charges explosives inférieures à
50 g d'équivalent TNT.
La présente partie de l'ISO 17201 traite des cas où il n'existe aucun mesurage de la source ou de ceux où les
données nécessaires au calcul du bruit du projectile selon l'ISO 17201-4 ne sont pas connues, par exemple,
pour mesurer le bruit de projectile de la grenaille tirée par des fusils de chasse. La présente partie de
l'ISO 17201 peut également servir de méthode d'interpolation entre des mesures du bruit à la bouche.
Les données relatives à la source de bruit sont indiquées en termes d'énergie acoustique spectrale angulaire
couvrant la plage de fréquences comprise entre 12,5 Hz et 10 kHz, et peuvent être utilisées comme données
d'entrée pour le calcul de la propagation du son.
La présente partie de l'ISO 17201 ne s'applique pas à l'estimation des niveaux sonores pour l'évaluation des
dommages auditifs. Elle ne peut pas non plus servir à prédire les niveaux de pression acoustique ou
d'exposition sonore en deçà d'une distance spécifique où l'acoustique linéaire ne s'applique pas.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 17201-1:2005, Acoustique — Bruit des stands de tir — Partie 1: Mesurage de l'énergie sonore en sortie
de bouche
ISO 17201-4, Acoustique — Bruit des stands de tir — Partie 4: Estimation du bruit du projectile
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ISO 17201-2:2006(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 17201-1 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1 Généralités
3.1.1
masse volumique de l'air
ρ
masse volumique de l'air dans les conditions de l'estimation
3
NOTE La masse volumique de l'air est exprimée en kilogrammes par mètre cube (kg/m ).
3.1.2
fréquence angulaire
ω
fréquence multipliée par 2π
NOTE La fréquence angulaire est exprimée en radians par seconde (rad/s) dans toutes les formules.
3.1.3
système de coordonnées (x, y)
système de coordonnées plan servant à décrire la géométrie, où l'axe des abscisses (x) correspond à la ligne
de tir, avec x = 0 au niveau de la bouche, et l'axe des ordonnées (y) mesure la distance perpendiculaire par
rapport à la ligne de tir, dans n'importe quel plan autour de la ligne de tir
NOTE 1 Le champ acoustique du bruit du projectile présente une symétrie de révolution autour de la ligne de tir.
NOTE 2 Les coordonnées sont données en mètres (m).
3.1.4
coefficients cosinusoïdaux
C
1,2…,N
coefficients de la transformation en série de cosinus pour décrire la directivité de l'énergie angulaire émise par
la source
3.1.5
angle de décélération
ε
différence entre l'angle de rayonnement au début et à la fin d'une partie de la trajectoire
NOTE L'angle de décélération est exprimé en radians (rad) dans toutes les formules.
3.1.6
énergie chimique spécifique
potentiel
u
énergie chimique spécifique contenue dans la charge propulsive
NOTE L'énergie chimique spécifique est généralement exprimée en joules par kilogramme (J/kg).
3.1.7
ligne de tir
continuation de l'axe du canon
Voir Figure 1.
NOTE Les trajectoires balistiques peuvent être décrites comme une séquence de lignes droites. Alors, les méthodes
s'appliquent à chaque segment. Les corrections du dispositif de visée sont ignorées.
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a) Vue latérale ou d'élévation
b) Vue de dessus ou sur plan
Légende
1 bouche
2 canon
3 visée
4 ligne de tir
5 ligne de visée
6 cible
7 trajectoire
8 hauteur de visée
Figure 1 — Ligne de tir et ligne de visée
3.1.8
énergie acoustique émise par le projectile
Q
p
énergie acoustique émise sur une longueur de trajectoire de 1 m
NOTE 1 L'énergie acoustique émise par le projectile est exprimée en joules (J).
NOTE 2 Voir également 3.3.6.
3.1.9
masse de la charge propulsive
m
c
masse de la charge propulsive
NOTE La masse de la charge propulsive est exprimée en kilogrammes (kg).
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ISO 17201-2:2006(F)
3.1.10
angle de rayonnement
ξ
angle situé entre la ligne de tir et le vecteur du nombre d'ondes décrivant la direction locale de la propagation
du son du projectile
NOTE 1 L'angle de rayonnement est exprimé en radians (rad) dans toutes les formules.
NOTE 2 ξ est l'angle complémentaire de l'angle de Mach.
3.1.11
angle alpha
α
angle situé entre la ligne de tir et une ligne reliant la bouche au récepteur
NOTE 1 Voir l'ISO 17201-1:2005, Figure 3.
NOTE 2 L'angle alpha est exprimé en radians (rad) dans toutes les formules.
3.1.12
exposition sonore
E
intégrale temporelle de la pression acoustique instantanée élevée au carré et pondérée en fréquence pendant
la durée de l'évènement
2
E = pt() dt
∫
T
2
NOTE L'exposition sonore est exprimée en pascals carrés seconde (Pa ⋅s).
3.1.13
niveau d'exposition sonore
L
E
dix fois le logarithme de base 10 du rapport entre l'exposition sonore et une valeur de référence
NOTE 1 Le niveau d'exposition sonore est exprimé en décibels (dB).
NOTE 2 Voir aussi l'ISO 1996-1.
NOTE 3 Le niveau d'exposition sonore d'une rafale unique de sons ou d'un son transitoire est donné par la formule:
⎡⎤2
pt()
⎢⎥
Lt=10lg d dB
E
∫ 2
⎢⎥
pT
00
⎣⎦T
où
p(t) est la pression acoustique instantanée en fonction du temps;
2 2
p T est la valeur de référence [(20 µPa) × 1 s].
0 0
3.1.14
vitesse du son dans l'air
c
vitesse du son dans les conditions de l'estimation
NOTE La vitesse du son dans l'air est exprimée en mètres par seconde (m/s).
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3.1.15
zone de divergence
S
S
dimension de la zone située à une certaine distance de la trajectoire où se propage le son rayonné depuis le
chemin respectif de la trajectoire
2
NOTE La zone de divergence est exprimée en mètres carrés (m ).
3.1.16
distance de propagation
r
S
distance entre le point d'émission du bruit du projectile, P , et le point de réception, P
S R
NOTE La distance de propagation est exprimée en mètres (m).
3.1.17
rayon de Weber
R
W
rayon d'une sphère de rayonnement équivalent, dans le cadre du «modèle d'explosion simple»
NOTE Le rayon de Weber est exprimé en mètres (m).
3.1.18
pression de Weber
p
W
pression sonore à la surface de la sphère de Weber
NOTE La pression de Weber est exprimée en pascals (Pa).
3.2 Directivité
3.2.1
facteur de correction due à la directivité de la source
c
S
correction tenant compte du fait que des ordres différents des fonctions de Fourier contribuent différemment à
l'énergie
3.2.2
facteur de directivité
Y(α)
fonction de la directivité dans la direction de α
3.3 Énergie
3.3.1
distribution angulaire effective de l'énergie acoustique émise par la source
Q (α)
Y
énergie effective rayonnée dans la direction α, pondérée par la directivité
NOTE La distribution angulaire de l'énergie acoustique émise par la source est exprimée en joules par
stéradian (J/sr).
3.3.2
énergie acoustique totale émise par la source
Q
e
énergie acoustique totale après intégration de Q (α) sur l'ensemble de la sphère
Y
NOTE L'énergie acoustique est exprimée en joules (J).
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3.3.3
énergie des gaz de la charge propulsive
Q
g
énergie présente dans l'écoulement gazeux de la charge propulsive au niveau de la bouche
NOTE L'énergie des gaz de la charge propulsive est exprimée en joules (J).
3.3.4
perte d'énergie cinétique
Q
l
différence d'énergie du projectile lors d'un mouvement de translation sur une partie de la trajectoire de 1 m de
long, due à la trainée
NOTE La perte d'énergie cinétique est exprimée en joules (J).
3.3.5
énergie acoustique émise par la source au niveau de la bouche
Q
m
énergie acoustique totale de la détonation
NOTE L'énergie acoustique émise par la source au niveau de la bouche est exprimée en joules (J).
3.3.6
énergie acoustique émise par le projectile à la source
Q
p
produit de la perte d'énergie cinétique, Q , par le rendement acoustique, σ
l ac
NOTE 1 L'énergie acoustique émise par le projectile à la source est exprimée en joules (J).
NOTE 2 Voir également 3.1.8.
3.3.7
énergie cinétique du projectile en sortie de bouche
Q
p0
énergie cinétique du projectile au niveau de la bouche
NOTE L'énergie cinétique du projectile en sortie de bouche est exprimée en joules (J).
3.3.8
énergie de la charge propulsive
énergie chimique
Q
c
énergie chimique totale de la charge propulsive
NOTE L'énergie chimique est exprimée en joules (J).
3.3.9
densité d'énergie de Weber
Q
W
densité d'énergie d'une source de Weber présentant un rayon de Weber de 1 m
3
NOTE La densité d'énergie de Weber est exprimée en joules par mètre cube (J/m ).
3.3.10
énergie de Weber de référence
Q
W,1
énergie de Weber pour une masse de charge propulsive présentant un rayon de Weber de 1 m
NOTE L'énergie de Weber de référence est exprimée en joules (J).
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3.3.11
densité angulaire de l'énergie acoustique émise par la source
S (α)
q
énergie acoustique rayonnée par la source en champ lointain par unité d'angle solide
NOTE 1 L'énergie acoustique rayonnée par la source dans les limites d'un cône étroit centré sur la direction α est:
dQ
S ()α =
q
dΩ
où Ω est l'angle solide exprimé en stéradians (sr).
NOTE 2 La densité angulaire de l'énergie acoustique émise par la source est exprimée en joules par stéradian (J/sr).
3.4 Fraction
3.4.1
fraction cinétique
σ
cp
rapport entre l'énergie cinétique du projectile, Q , et l'énergie chimique, Q , de la charge propulsive
p c
NOTE Le rendement correspond à la fraction cinétique exprimée en pourcentage.
3.4.2
fraction gazeuse
σ
cg
rapport entre l'énergie des gaz expulsés de la charge propulsive, Q , après le tir, et l'énergie chimique, Q
g c
3.4.3
rendement acoustique
σ
ac
rapport de l'énergie qui est convertie en énergie acoustique
3.5 Projectile
3.5.1
diamètre du projectile
d
p
diamètre au niveau de la section transversale maximale du projectile
NOTE Le diamètre du projectile est exprimé en mètres (m).
3.5.2
vitesse de lancement du projectile
v
p0
vitesse du projectile au niveau de la bouche
NOTE La vitesse de lancement du projectile est exprimée en mètres par seconde (m/s).
3.5.3
longueur du projectile
l
p
longueur totale du projectile
NOTE La longueur du projectile est exprimée en mètres (m).
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3.5.4
masse du projectile
m
p
masse du projectile, dans le cas des fusils de chasse masse totale de la grenaille
NOTE La masse du projectile est exprimée en kilogrammes (kg).
3.5.5
vitesse du projectile
v
p
vitesse du projectile le long de la trajectoire
NOTE La vitesse du projectile est exprimée en mètres par seconde (m/s).
3.5.6
variation de la vitesse du projectile
κ
variation locale de la vitesse du projectile le long de la trajectoire par unité de longueur de trajectoire
NOTE La variation de la vitesse du projectile est exprimée en secondes inverses [(m/s)/m = 1/s].
3.5.7
nombre de Mach
M
rapport entre la vitesse du projectile et la vitesse locale du son
4 Modèle d'estimation des données relatives à la détonation à la bouche
4.1 Généralités
Il convient, si possible, que les données relatives au bruit à la bouche soient déterminées conformément à
l'ISO 17201-1.
Le présent article spécifie des méthodes pour estimer les données acoustiques de source du bruit à la bouche
et des explosions. Le bruit à la bouche d'une arme à feu est hautement directif. La distribution angulaire de
l'énergie à la source et le spectre varient tous les deux avec l'angle par rapport à la ligne de tir.
Pour les calculs de la propagation, des données relatives à la source du bruit en fonction de la fréquence et
de l'angle sont requises comme données d'entrée. À l'heure actuelle, on ne dispose pas de telles données
d'émission détaillées, mesurées selon l'ISO 17201-1, pour une grande variété d'armes et de munitions, et il
est nécessaire d'estimer les données à partir d'autres informations techniques. Cette méthode peut également
s'appliquer aux explosifs. Pour les détonations, l'acoustique linéaire est applicable si la pression maximale est
inférieure à 1 kPa.
NOTE Cette méthode peut ne pas convenir pour des armes équipées de dispositifs de bouche qui influencent le
champ de la détonation, par exemple un frein de bouche qui réduit le recul en déviant le flux de gaz à sa sortie de la
bouche.
La méthode se décompose en deux parties. Premièrement, l'énergie acoustique du tir est estimée, puis, dans
un second temps, la directionalité de la source est appliquée et le spectre est calculé. La méthode permet
d'utiliser des données très générales ou, si elles sont disponibles, des données spécifiques permettant
d'aboutir à un résultat plus précis. Elle permet donc d'utiliser des alternatives telles que des valeurs par défaut
ou des valeurs spécifiques pour certains paramètres.
En raison de cette flexibilité, un diagramme est utilisé pour décrire toutes les étapes de la méthode, y compris
les équations. Dans la Figure 2, la partie gauche du diagramme représente la manière d'estimer l'énergie
acoustique émise par la source au niveau de la bouche, celle-ci étant utilisée dans la partie droite du
diagramme pour déterminer les données acoustiques. Les branches du diagramme correspondant à des
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alternatives portent un signe logique «ou», ⊕. Le signe logique correspondant à «et», ⊗, signifie que les deux
ˆ
ensembles d'informations sont nécessaires pour continuer. Le symbole x représente une valeur d'entrée par
défaut pour le paramètre x. Si le paramètre x n'est pas connu, la valeur par défaut peut être utilisée. Les
chiffres apparaissant en haut des blocs sont les numéros de référence des équations.
L'estimation «type» est obtenue en suivant le schéma (voir la Figure 2) en utilisant les paramètres par défaut
donnés pour tous les coefficients. Elle est obligatoire pour le rapport. Si un paramètre différent est utilisé pour
un coefficient quelconque, la raison doit être mentionnée.
4.2 Estimation de l'énergie chimique
La grandeur essentielle permettant d'estimer l'énergie acoustique est l'énergie chimique totale, Q . Si Q n'est
c c
pas connue, il existe deux alternatives pour la déterminer. La branche gauche utilise l'énergie cinétique du
projectile, Q , connue directement ou calculée de manière différente à partir de la masse et de la vitesse de
p0
lancement du projectile [Équation (1) dans la Figure 2]. L'énergie du projectile est une fraction de l'énergie
totale. Si la fraction σ n'est pas connue, il convient d'utiliser 35 % comme valeur par défaut. L'Équation (2)
cp
dans la Figure 2 permet ensuite de déterminer Q . La branche droite utilise la masse de la charge propulsive
c
ou des explosifs. Le potentiel (facteur de conversion), u, dépend du type de la charge propulsive (par exemple,
4 310 J/kg pour le TNT, ou 5 860 J/kg pour le PETN). Si l'énergie chimique spécifique, u, n'est pas connue, il
convient d'utiliser une valeur de u = 4 500 J/kg.
4.3 Estimation de l'énergie acoustique
L'énergie Q est partiellement convertie en chaleur et en énergie cinétique du gaz restant (Q ), en chaleur et
c g
en frottement entre le canon et le projectile, et en énergie cinétique du projectile (Q ) ou du matériau
p0
accéléré, respectivement. La balistique interne, dans le cas de fusils, déterminera cet équilibre (voir la
Référence [11]). Il convient qu'une fraction de 45 % de Q soit utilisée comme valeur par défaut pour Q , qui
c g
représente l'unique source d'énergie dans la détonation. L'Équation (5) tient compte du rendement de la
conversion de l'énergie du gaz de charge propulsive, Q , en énergie acoustique totale de la détonation, Q .
g m
4.4 Estimation de l'énergie de Weber
La partie droite de la Figure 2 représente le diagramme permettant de déterminer l'énergie de Weber, Q , qui
w
est la densité d'énergie d'une source de Weber présentant le rayon de Weber de 1 m.
4.5 Estimation de la directivité
Pour le rayonnement symétrique de révolution autour de la ligne de tir, la directionalité de la source est décrite
par une série de Fourier en fonction de l'angle α formé par rapport à la ligne de tir. Si le diagramme de
directivité, c , n'est pas connu, la Matrice (6) donne une liste de valeurs par défaut pour certaines armes.
n
L'application de la directivité, Y, à Q dans l'Équation (10) donne l'énergie circulant à travers la tranche, y
e
compris la directionalité de la source.
4.6 Estimation du spectre
Les deux étapes suivantes des Équations (11) et (12) dans la Figure 2 utilisent un modèle acoustique
d'explosions dans l'air qui permet d'estimer le spectre de Fourier de la distribution angulaire de l'énergie
acoustique émise par la source, où α représente la direction, tel que décrit dans l'Annexe A (voir aussi la
Référence [8]). Les valeurs par défaut sont des paramètres de modèle validés et il convient de les modifier
uniquement si des informations pertinentes sont disponibles. Il convient que l'intégrale de l'Équation (12) soit
intégrée numériquement, car il n'existe pas de solution analytique connue. Il convient que la méthode
d'estimation ne soit pas utilisée pour estimer des valeurs de pression maximale ou d'autres grandeurs
similaires.
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NOTE Les chiffres apparaissant en haut des blocs indiquent les numéros d'équation mentionnés dans le texte. Pour
des informations complémentaires à propos des Équations (11) et (12), voir l'Annexe A.
Figure 2 — Diagramme de la méthode d'estimation des données relatives à la source de bruit à la bouche
5 Modèle d'estimation du bruit du projectile
5.1 Généralités
Il convient, si possible, que les données relatives au bruit du projectile soient déterminées conformément à
l'ISO 17201-4.
Il convient que le niveau d'exposition sonore en champ libre du bruit du projectile soit calculé conformément à
l'ISO 17201-4. Cela n'est pertinent que si les paramètres du tir sont connus. Dans le cas contraire, la méthode
s
...
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