利用ANP數據預測飛機邊線噪聲方法研究

閆國華，李灝檑

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

0 引 言

我國在航空領域的發展速度非常快，快速的發展使得航空市場進一步擴大，機場的業務也越來越繁忙，但高頻率的航班帶來的不只是利潤，還有機場周邊不斷產生的噪聲，引起的問題不容小覷。如何解決噪聲問題，其中之一在于如何精確地測量噪聲[1]，只有準確地對噪聲級進行測量，才能對噪聲的強度以及影響程度做一個客觀的評測，使其符合飛機噪聲適航的評定標準[2]。

圖1 噪聲測量點擺放位置Fig.1 Locations of noise measurement points

飛機噪聲合格審定程序中明確規定，要想進行有效的噪聲合格審定，必須對飛機的進場、邊線、起飛測量點進行噪聲測量[3]，且對測量點的位置的選擇也有著嚴格的要求，測量點擺放位置如圖1所示。例如，進場噪聲基準測量點位于跑道中心線延長線上，距跑道入口2 000 m；起飛噪聲基準測量點同樣位于跑道中心線延長線上，距飛機滑跑起始點 6 500 m。而邊線噪聲基準測量點不同于上述兩者，在噪聲測量過程中其位置難以確定[4]，它是位于與跑道中心線延長線平行的邊線上的一點，距中心線延長線450 m，且在此點邊線噪聲達到最大值，按照適航相關規定，將以邊線噪聲的有效感覺噪聲級作為適航審定的標準。因此，找到測量邊線噪聲的基準測量點對于噪聲測量就顯得尤為重要。

1 ANP數據及飛機起飛剖面航跡

各類型飛機的認證有效感覺噪聲值可以從歐洲航空安全局下載獲得[5]。

在進行噪聲適航審定時，飛機的噪聲級與飛行航跡存在著直接的聯系，在測算飛機邊線噪聲級之前，需要按照適航規章來計算飛機基準起飛航跡[6]，這是飛機噪聲合格審定中一個重要的環節。

表1 飛機默認起飛程序Table 1 Default aircraft departure procedure

飛機起飛剖面航跡反映的是飛機在與地面垂直的平面上的運動，完整反映航跡需要一系列參數，如飛機位置、速度、傾斜角、發動機功率等。本文依據ECAC.CEAC文件[7]中關于航跡的計算公式，借用ANP數據庫[8]中提供的各項參數，如大氣環境、飛機型號、運行重量以及如表1中所示的飛行程序等信息，可以對不同飛機進行基準起飛航跡的計算。

1.1 航跡計算

1.1.1 推 力

靜推力F代表發動機總推力水平，根據空氣動力學及聲學計算，靜推力需要進行修正，將其修正到海平面上的標準大氣壓下，作為修正靜推力值，發動機推力公式為:

式中：δ為機身周圍大氣壓力與標準大氣壓力的比值；Fn/為發動機修正凈推力lbf (1 lbf=4.448 2 N)；h為飛機所處位置高度，單位為ft；T為飛機所處位置的大氣溫度，單位為℃；E為發動機推力變量，單位為 lb·s/ft(1lb=0.453 59 kg，1 ft=0.304 8 m)；F為發動機推力變量，單位為 lb/kn；GA為發動機推力變量，單位為lb/ft；GB為發動機推力變量，單位為lb/ft2；H為發動機推力變量，單位為lb/℃；

真實空速VT可以通過校準空速VC得到：

式中：VC為校準空速(Calibrated Air Speed,CAS)，單位為kn； 為飛機所處高度的空氣密度與海平面處標準空氣密度的比值。

推力的變化對于飛機噪聲級的影響是顯著的，根據相關規定，在實際操作過程中，飛機起飛重量低于最大起飛重量或者機場跑道的長度超過了在使用最大起飛推力起飛時的滑跑長度，則起飛程序可以加入減推力起飛，以此來延長發動機壽命并且減小起飛過程中產生的噪聲。

1.1.2 起飛滑跑

飛機沿跑道滑跑起飛，默認側風為8 kn，從松開剎車開始滑跑到回收起落架，滑跑及飛過的距離作為等效起飛滑跑距離，用表示。

等效起飛滑跑距離表達式為

其中：B8為標準大氣壓下、且 8 kn側風時，與飛機和襟翼相關的參數(ft/lbf)；W為飛機松剎車時起飛總重(lbf)；N為飛機裝備發動機數量；θ為氣溫比。

1.1.3 恒速初始爬升

式中，C取自ANP數據表格，為適用于襟翼參數設置的一個系數。

平均爬升角

在默認側風速度為8 kn的情況下，平均爬升角計算公式為：

式中：R為在某襟翼條件下，飛機阻力系數與升力系數的比值；K作為與速度相關的常數，當VC≤2 00kn，取值1.01，當VC> 200kn，取值0.95；

為飛機飛行時的傾斜角，單位為rad，本文假設飛機傾斜角為0。

航跡在地面投影長度的計算公式為

式中h2與h1分別為飛機的起點高度和末點高度。

1.1.4 加速爬升

按照表1中的默認起飛程序，如果恒速爬升階段結束后是加速爬升和襟翼收縮階段，則對飛行航段來說，開始點的高度、真實速度、推力等就是上一航段末點對應的參數值。在爬升階段，末點的校準空速以及平均爬升率(Rate of Clmib，ROC)都是由ANP數據庫提供的已知參數，通過各個參數之間的相互關系，可以通過迭代法繼續求得其余參數。

1.1.5 算 列

結合上述計算方法，以DC-9飛機為例，通過ANP數據庫獲其基本數據后，計算基準起飛剖面航跡，可以得到航跡數據，如表2所示。

表2 航跡計算結果Table 2 Track calculation results

利用Python語言將所算數據圖像化，可以得到DC-9飛機的起飛航跡示意圖，如圖2所示。

圖2 DC-930飛機起飛剖面航跡Fig.2 Takeoff profile track of DC-930

2 求邊線有效感覺噪聲級

在噪聲-功率-距離(Noise-Power-Distance，NPD)數據庫中，噪聲級被設為發動機功率和傾斜距離的函數，并定義為飛機在恒定速度和功率下飛過理想的無限長水平航跡產生的噪聲。通過插值法，利用發動機功率p和距離d，可以計算飛機起飛過程中任意一點上的噪聲級，可用于插值計算的噪聲級單位包括有效感覺噪聲級(Effective Perceived Noise Level，EPNL)、聲暴露級(Sound Exposure Level，SEL)等，均在 NPD數據庫中有所提供，如果將相同噪聲級的坐標點連成線，可以繪制噪聲等值線，這對于判定機場噪聲對于周圍環境的影響大小有很大的幫助，而本文側重于對邊線噪聲進行計算測量，所以將對距飛機跑道中心延長線450m處的平行線，也就是邊線上的各點進行噪聲級計算。根據ECAC.CEAC文件中關于NPD數據庫的使用[9]，可以總結出如下算法。

2.1 噪聲測量點距離和功率參數

噪聲測量點與分段航跡有三種幾何位置關系，分別為噪聲測量點位于航段之后、旁側和之前。

在對邊線噪聲級的計算過程中，對于航跡的每個分段，認為其功率線性變化，通過計算得出的與航跡分段最接近處的功率，即為觀測點的功率P。

與距離d相同，分為三種情況，當測量點位于分段之前或者之后時，取功率P為P1或者P2,當測量點位于分段旁側時，功率P通過插值獲得：

其中，為分段航跡的長度。

2.2 插值計算

NPD數據是飛機在實際飛行過程中以基準航跡為標準所測得的噪聲數據，利用其提供的噪聲數據可以進行插值計算，得出需要的邊線噪聲級。該數據庫提供的噪聲數據給出了四種噪聲級參數(有效感覺噪聲級EPNL、聲暴露級SEL、最大純音修正感覺噪聲級(Maximum Tone Corrected Perceived Noise Level，PNLTM)以及A計權聲級LAmax)，本文選取有效感覺噪聲級進行計算。

在指定的功率下，NPD數據庫內包含了至少10個不同距離下的噪聲級；當距離相同時，噪聲數據也被分為了進場和離場兩種情況，并且兩種情況各提供幾個不同的功率，為計算提供了充足的數據，避免了大量插值。

如圖3所示，當P或d介于數據庫中給定的P或d之間時使用內插值計算方法，反之使用外插值方法。

圖3 噪聲-功率-距離之間關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between noise-powerdistance

在對邊線噪聲進行有效感覺噪聲級計算時，P和d基本都在給定值范圍內，所以利用內插法，選取數據庫中對應的噪聲級進行三次插值計算。首先對功率進行插值，在兩個距離di和di+1處分別進行插值，見式(8)、(9)，求出兩個距離處功率P對應的噪聲級和然后對距離進行插值，使用兩個距離處的噪聲級進行插值，求出距離d處的噪聲級，見式(10)。

當距離d<30 m，噪聲級與距離的關系變得復雜，不再遵循上述規律，所以

2.3 噪聲測量點修正參數

上述插值計算過程時假設 NPD數據庫中的噪聲數據是基于分段航跡的，實際上 NPD數據庫中的噪聲數據是基于無限長航段，因此需要對插值計算中的基準噪聲級作修正處理[10]：

式中：?V、 ?I(φ)、Λ(β,l分別為有效感覺噪聲級的不同修正參數，如下所述：

(1) 持續時間修正?v：

其中：Vref為數據庫中對應飛機的基準速度；Vseg為航段內的等效速度為該航段內的平均爬升角。

(2) 發動機安裝修正?I(φ)：

發動機安裝修正因子用?I(φ)來表示，圖 4表現了飛機在飛行狀態下與地面之間的幾何關系，ε為飛機的轉彎傾斜角，即機翼與地平面之間的夾角；β為仰角，即測量點仰視飛機的視線和地平面之間的夾角；?=β±ε，當飛機相對于觀測點向右轉彎時取“+”，向左轉彎則取“?”。

當機翼下方安裝發動機時，

α=0.003 84，b=0.062 1，c=0.878 6；

機身上安裝發動機時，

α=0.122 5，b=0.329 0，c=1；

(3) 邊線衰減

特別情況下，如β<0°時，取Λ(β)=10.57

圖4 航跡垂直面中飛機和觀測點的位置關系Fig.4 The relationship between the aircraft location and the observation point in the track vertical plane

3 實際算列

利用Python語言將上述計算程序化，運行后可以得到一系列結果，其中包括邊線上各點對于航跡的有效感覺噪聲級和它們所在的位置坐標。將橫坐標設為點到滑跑起始點的距離(單位為 ft)，將縱坐標設為有效感覺噪聲級(單位為dB)，可以標出所設不同位置的噪聲測量點對于航跡的噪聲級，通過最小二乘法將其擬合成曲線，并作平滑處理，則可得到一條隨坐標變化而變化的有效感覺噪聲級曲線。根據曲線走勢，可以找到在有效區間內噪聲級的最大值，即為邊線噪聲的最大值，同理可獲得邊線噪聲最大值產生時所在坐標。

與歐洲航空安全局所提供的邊線噪聲的實際值相比，根據NPD數據庫(如表3所示)，所算得的邊線噪聲與實際值基本吻合，因此可以初步確認本文計算結果的有效性。

表3 DC-9飛機NPD數據庫Table 3 NPD database of DC-9 aircraft

所以根據上述計算結果，可以確認不同飛機在起飛過程中產生的邊線噪聲最大值以及產生時在邊線上的位置，由此可以得出邊線噪聲基準測量點的擺放位置，應該盡量向測得最大邊線噪聲的坐標點靠攏，這樣可以使得到的噪聲數據更加精確。

本文繼續以DC-9為例，對其噪聲測量點擺放位置做一個簡單預測，以供參考。

根據前面計算的飛機起飛航跡，以及適航相關規章[11]，對飛機起飛后產生的邊線噪聲做重點預測，選取邊線上距飛機滑跑起始點 5 000～14 000 ft為預測范圍，每隔1 000 ft設一噪聲測量點，通過NPD數據庫提供的相關有效感覺噪聲級數據，依據上述算法可以計算出邊線上所設各點測到的有效感覺噪聲級，如表4所示。

表4 邊線噪聲計算結果Table 4 Calculation results of lateral noise

將所得數據圖像化，可得圖5。

圖5 邊線噪聲變化曲線Fig.5 Variation of the lateral noise with horizontal distance

觀察圖5，并與飛機航跡圖相對比，可以看出隨著飛機滑跑起飛，離開跑道后很快將迎來邊線噪聲級最大的一點，根據數據顯示，其有效感覺噪聲級為96.84 dB，發生在距滑跑起始點8 756 ft處。

同理，可取C919的三種競爭機型，對其進行邊線噪聲級計算，可以得出如表5所示的結果。

表5 C919競爭機型邊線噪聲預測值及邊線噪聲測量點位置Table 5 The prediction values of lateral noise and the locations of noise measurement points for C919 competitive types

從表5可得，利用ANP數據對邊線噪聲預測的結果與歐洲航空安全局提供的噪聲值相差在0.24～0.83 dB內，符合中國民用航空規章第36部[12]的規定，說明本文計算方法較為準確，且本文還標注了邊線噪聲產生最大值[9-12]時所在邊線上的位置，觀察表5中結果，可以初步推斷，相同類型的飛機其邊線噪聲測量點的擺放位置是有跡可循的，這對于之后C919飛機的噪聲適航可以提供一定的參考。

4 總 結

(1) 利用ANP數據庫，可以按照標準起飛程序對不同型號的飛機計算其起飛剖面航跡，同時利用涵蓋在ANP數據庫內的NPD噪聲數據，可以得出起飛過程中不同位置的噪聲級，建立了對不同飛機的邊線噪聲預測算法。

(2) 挑選DC-9等大型飛機進行算例演示，將計算結果進行比對，可以簡單預測邊線噪聲最大值發生的所在位置，對于噪聲測量點位置的擺放，可以提供較精確的指導，節省大量的人力物力，同時對于相同類型的大飛機也能起到參考的作用，如在對C919進行邊線噪聲測量的過程中，精確擺放噪聲測量點位置，縮短C919的噪聲適航審定周期。

[1]International Civil Aviation Organization. Environmental Technical Manual, Volume I, Procedures for the Noise Certification of Aircraft[S]. Montreal: ICAO, 2010.

[2]中國民用航空局. 航空器型號和適航合格審定噪聲規定[S]. 北京:中國民用航空局, 2007.

CAAC. Aircraft types and airworthiness approval of qualified noise regulations[S]. Beijing: CAAC, 2007.

[3]唐狄毅, 李文蘭, 喬渭陽. 飛機噪聲基礎[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1995, 159-161.

TANG Diyi, LI Wenlan, JOE Weiyang. Aircraft noise base [M].Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press, 1995, 159-161.

[4]FAA. Airport noise compatibility planning:federal aviation regulations part 150[S]. Washington: FAA, January18, 1985.

[5]European Aviation Safety Agency. Type-Certificate Date for noise[R]. Cologne: EASA, 2015.

[6]ICAO. International standards and recommended practices, aircraft noise[S]. Montreal: ICAO. 1993.

[7]ECAC.CEAC Doc29 3rd Edition, Report on Standard Method of Computing Noise Contours around Civil Airports, Volume1: Applications Guide[S]. EU: ECAC.CEAC, 2005.

[8]SAE ARP 876C. Gas Turbine Jet Exhaust Noise Prediction. Aerospace Recommended Practice, Society of Automotive Engineers，1985.

[9]ECAC.CEAC Doc29 3rd Edition, Report on Standard Method of Computing Noise Contours around Civil Airports, Volume2:Technical Guide[S]. EU: ECAC.CEAC, 2005.

[10]ICAO. Annex 16-Environmental Protection, Volume I, Maximum noise level[R]. Montreal: ICAO, 2008.

[11]中國民用航空總局. 中國民用航空規章第36部[S]. 中國民用航空總局, 2005: 16-40.Civil Aviation Administration of China. Thirty-sixth civil aviation regulations of China[S]. CAAC, 2005: 16-40.

[12]中國民用航空局. 航空器型號和適航合格審定噪聲規定, 附件 B-根據第36.103 條運輸類和噴氣式飛機的噪聲[S]. 北京: 中國民用航空局, 2007.

CAAC. Aircraft types and airworthiness approval of qualified noise regulations, Annex B- According to the article 36.103 of the transportation and the noise of jet planes[S]. Beijing: CAAC，2007.