基于小航線平飛段高度變化的噪聲影響區域評估

黃學林，王觀虎，王 偉，唐 偉，林肖雯

（空軍工程大學航空工程學院，西安710038）

越來越頻繁的飛行任務產生的噪聲對機場周圍居民產生了嚴重的影響，我國幾乎每一個機場都存在噪聲污染的情況[1]，居民投訴機場的事件時?？梢?。由于軍用飛機需要提高作戰能力，發動機產生的噪聲不可避免，這就造成了機場與當地環境保護之間的矛盾。軍用飛機主要飛行小航線，小航線對機場周圍的噪聲影響一般比民航飛機產生的噪聲大。

目前，國內外學者對飛機降噪措施進行了一定的研究[2–6]。武喜萍[7]在飛行程序模型的基礎上分析了減噪起飛程序與進近程序的減噪效果。申華帥[8]對降低噪聲煩惱指數的飛行航線進行優化，研究成果對減噪航線具有深遠的意義。喬亞航[9]應用飛行程序以及航空器等方面的知識，建立了減噪模型，提出了計算方法并利用INM（Integrated noise model）軟件進行了模擬仿真。王龍等[10]對飛機雙螺旋槳干涉進行了降噪試驗，驗證了干涉降噪的作用。Paun等[11]通過直接對排氣機進行適當的被動聲學處理來降低航空渦輪發動機產生的噪聲。Sanchez-Ricart等[12]提出了通過反射系數、吸收系數和透射系數的解析解來計算飛機噪聲的衰減值。

分析國內外研究現狀可知，大多數學者對于飛機降噪提出了很多措施并進行了驗證，取得了一定的效果，都對減小飛機噪聲做出了重大貢獻，但是對于減小軍用飛機在日常訓練的小航線上飛行時所產生的噪聲措施研究甚少，沒有找到有效的解決方法。因此，本文從減少飛機在小航線飛行時產生的噪聲，減少噪聲對機場居民的影響這一需求出發，利用INM 軟件仿真模擬飛機改變小航線平飛段高度，分析飛機噪聲影響范圍的變化。這對于減少飛機在小航線飛行時產生的噪聲，維護軍民共同利益有著重要的意義。

1 機場噪聲評價方法

每個國家對飛機噪聲評價都有各自的指標，美國主要運用Ldn（Day-night average sound level）來評價飛機噪聲，英國則提出噪聲事件指數等。我國主要使用Lwecpn（Weighted equivalent continuous perceived noise level）作為飛機噪聲的評價量[13]，其計算公式為

式中：LEPN（Equivalent perceived noise level）表示有效感覺噪聲級，將噪聲持續時間內的修正感覺噪聲級在10 s 內取平均，N1、N2、N3表示白天、晚上、夜間的飛行量。LEPN的計算公式為

式中：t0表示基準時間，一般取為10 s，t1和t2表示單個噪聲影響的有效時間范圍，LPNT（Perceived noise time level）表示瞬時噪聲級。

2 小航線

作戰飛機常用的起落航線有小航線、直線穿云航線等6種[14]，小航線是比較常見的飛機在晝間和夜間簡單氣象條件下訓練的航線，由于飛行高度較低，飛機在整個航線飛行過程中都是由飛行員通過眼睛進行觀察跑道和T字布。小航線的組成分為起飛航線和降落航線。飛機起飛離地達到150 m左右時進行180°的轉彎，在轉彎過程中爬升至平飛高度，一般為400 m～600 m，開始沿著平行跑道方向平飛；平飛一段時間后進行120°轉彎開始下滑，再進行60°轉彎對準跑道直飛下滑。本文主要利用INM 軟件通過仿真預測飛機在小航線飛行過程的噪聲影響。

3 INM軟件開發

INM 是一款國內外常用的飛機噪聲計算軟件，它能夠利用飛機噪聲產生和傳播的影響參數[15]，如機場的溫度、濕度、風速、氣壓、跑道的海拔與長度、保障機型、航跡剖面等，根據不同的噪聲評價量繪制機場周圍噪聲影響區域等值線圖，并輸出特定敏感點的噪聲值，準確性較高，在工程應用中具有十分直觀、簡潔的特點，因此，在機場飛機噪聲環境的預測、評價方面具有很好的應用前景。但是INM 也存在一定的局限性，其數據庫中只有美國部分民用飛機和軍用飛機，并且有些參數也不齊全，不含有我國任何機型的噪聲數據，無法直接應用于我國軍用飛機噪聲計算。若利用INM進行噪聲預測，需要提前搜集軍用飛機的各項參數，最主要的就是找到我軍飛機的NPD（Noise-power-distance）特性數據以及飛機的其他重要參數，比如飛機的尺寸重量、發動機數量、推力大小等。

3.1 飛機NPD特性數據

不同型號的飛機所產生的噪聲影響差別顯著，為了方便衡量不同機型飛機的噪聲影響引出了飛機NPD特性數據，飛機NPD特性數據是指在基準條件下，飛機以一定速度平穩直線飛行時，噪聲級L與垂直噪聲傳播距離s和發動機功率P的函數關系[16]，即：

基準條件是指：風速不大于8 m/s，大氣溫度為15°C，氣壓為101.325 kPa，濕度為70%，飛行速度為300 km/h。通過測量飛機在不同功率下的NPD特性數據，根據數據規律，利用多項式模型對其進行擬合。多項式模型是一種簡單且較為準確的回歸計算模型，表達式為

式中：A、B、C、D為待定系數，可以通過MATLAB 中的polyfit函數和polyval函數求得。

利用多項式模型建立飛機NPD 特性數據多項式回歸模型，模型表達式為

3.2 機型構建

噪聲模型中雖然沒有我國飛機的NPD 特性數據和其他參數，但該模型為新機型的創建提供了接口，通過“Military airplane setup/ Military airplane data/Add record”命令可以編輯添加新的機型，主要參數包含發動機類型、最大起飛/著陸重量、最大著陸滑跑距離、NPD 特性曲線系列、發動機數量與單臺靜態推力等，以我軍某飛機X為例，搜集飛機X的各項參數，確定飛機X的數據信息。

在Military Noise 選項中可以選取相應機型的NPD 特性數據，由于INM 中沒有我軍飛機的數據，所以在飛機起飛與著陸不同狀態下，依次通過“Military noise identifiers”與“Military NPD data”命令編輯飛機噪聲數據，需要注意將公制單位（米）換算為英制單位（英尺）。運用多項式預測模型，基于測量的數據將飛機X的NPD 特性數據預測出來，根據INM 中的要求，輸入不同距離條件下的噪聲數值。

3.3 起落航線構建

航線分為地面水平航跡和航跡剖面，首先在Tracks 里面建立地面航跡，這里不做過多說明。航跡剖面的構建相對來說較為復雜，首先需要通過“Military/Profile Identifiers”命令定義不同飛機起飛或著陸時的航跡剖面標識，然后選出剖面中飛機運行狀態發生變化的關鍵點，“Military/Fix-Point Profiles”命令對所有關鍵點的路程、高度、速度、發動機推力等參數進行編輯?！癕ilitary/Profile Graphics”命令可以顯示不同飛機、不同起落航線的整個航跡剖面的高度、速度、發動機推力等狀態參數隨路程的變化情況，各關鍵點之間的狀態參數以線性插值的方式進行表示。

設計完成航跡投影（Tracks）與航跡剖面（Military profile）后就可以通過“Operations/Military flight operations”命令構建起落航線，并編輯平均每日白天、傍晚、夜間3個時段采用該航線的實際飛行架次，這樣就完成了新機型的構建與航線的構建，通過這一方法可以將噪聲模型應用到我國機場飛機噪聲環境的預測與評價工作中。

4 減噪效果評估分析

隨著社會的發展，人們越來越注意飛機噪聲對生活的影響。民用飛機在降噪方面做得已經十分完善，在民用飛機出場前就會對噪聲進行檢測，未達標的飛機不允許投入使用。但是軍用飛機由于需要保持并提高飛機戰斗力、提高飛機的性能，飛機自身的噪聲很難減弱。為了減小軍用飛機訓練時的噪聲，對于飛行小航線，本文提出改變飛行的起落航線方法，以平飛段飛行高度400 m 為基準，每次升高100 m，直至飛行高度達到800 m，用A、B、C、D、E航線表示。起飛段為飛機在第一次180°轉彎前按照標準狀態起飛，轉彎后逐漸抬高航線直至平飛段，降落段為飛機在平飛后逐漸降落。研究在不同高度的情況下，飛機在小航線飛行時對機場周圍噪聲的影響范圍。

首先對以平飛段400 m 高度進行研究，在INM中輸入飛行剖面如表1所示。假定飛行任務為白天20架次、晚上10架次、夜晚5架次，以Lwecpn為評價指標，由于我國飛機噪聲的標準以70 dB 為界[16]，輸出70 dB以上的噪聲區域如圖1所示。

表1 飛行剖面

圖1 平飛段400 m高度的噪聲影響區域

同理，依次輸出平飛段高度為500 m、600 m、700 m、800 m的噪聲影響區域圖，并將其通過File中的Export as DXF導入到CAD中，以400 m（黑色）和800 m（紅色）疊加為例，如圖2所示。

圖2 不同高度影響區域疊加

為了量化比較航線A～E各影響范圍的變化，通過CAD 面積計算命令可以得到各階段噪聲影響區域的面積，如表2 所示，并繪制大于85 dB、大于80 dB、大于75 dB、大于70 dB 的影響面積隨著高度變化的情況示意圖，如圖3至圖6所示。

從圖2和表2中可以看出抬高航線后，影響面積在起飛直飛段無明顯變化，在平飛段中后期和降落段噪聲影響范圍變小并且噪聲也隨之減小，在起飛轉彎處和平飛初期噪聲影響區域反而變大，但是隨著航線的升高大于75 dB 的噪聲范圍在逐漸減小，在500 m 到800 m 之間，航線每升高100 m，影響面積減小約0.672 2 km2。從表2 可以看到，總的影響面積隨著航線的升高先降低，然后在600 m 之后突然回彈升高，但是總的影響面積變化不顯著，保持在108.5 km2。噪聲大于85 dB 的區域從27.981 4 km2降至21.358 7 km2，航線每升高100 m 噪聲影響區域平均降低了1.66 km2。

表2 不同飛行航線影響區域的面積

由圖3 至圖6 可知，噪聲大于80 dB 和85 dB 的影響面積隨著高度變化呈現線性變化，隨著航線高度的升高影響面積在減小。噪聲大于75 dB的影響面積隨著高度變化呈現非線性變化，隨著航線高度的升高影響面積在減小，且減小的趨勢在增大，從航線每升高100 m影響面積減小約0.016 2 km2增加至減小0.868 4 km2。噪聲大于70 dB 的影響面積隨著高度變化趨勢為先降低，然后在大于600 m 高度之后突然變大。為了分析這種情況，在INM中采用取極端值方法，將最低高度取為0，最高高度取為2 000 m，得到在平飛段高度為0和2 000 m時飛機噪聲的影響區域如圖7和圖8所示。利用CAD計算出兩者的面積，并結合圖6繪制出噪聲大于70 dB的影響面積隨平飛段高度變化示意圖如圖9所示。

圖3 大于85 dB的影響面積隨著高度變化

圖4 大于80 dB的影響面積隨著高度變化

圖5 大于75 dB的影響面積隨著高度變化

圖6 大于70 dB的影響面積隨著高度變化

圖7 平飛段高度為0 時的影響區域

圖8 平飛段高度為2 000 m時的影響區域

圖9 大于70 dB的影響面積隨平飛段高度變化

由圖7、圖8和圖9可得，在高度為0時影響面積較小，為67.045 4 km2，且噪聲影響區域分布均勻，在高度為2 000 m 時影響面積較大，為101.841 9 km2，且噪聲影響區域集中在起飛爬升段，尤其在180 度轉彎處影響區域明顯增加。當航線高度為0 時，飛機噪聲影響范圍最小，隨著航線的升高飛機噪聲的影響范圍先變大而后減小，升高平飛段的航線，噪聲大于70 dB 的影響面積減小不顯著，但是在平飛段后期和降落階段的飛機噪聲影響區域顯著減小。

綜上，升高航線在一定程度上可以減少75 dB以上的噪聲影響區域，特別在降落階段尤為顯著，但是升高航線后在轉彎處的噪聲影響區域先減小而后在600 m之后開始增加，可見航線高度在增加到600 m 時效果最好。升高航線后，特別是在400 m 的基礎上增加，噪聲影響面積變化不大，但是當在降落區域的噪聲敏感點較多時，隨著航線的升高，降噪措施的效果更為顯著。

5 原因分析

5.1 平飛段降噪

為了分析平飛段的具體降噪情況，在INM中僅考慮小航線平飛段，刪除其它的航線，將平飛段航線高度從100 m升高至800 m，間隔高度為100 m，其它情況保持不變，可得僅升高平飛段后，噪聲大于70 dB的影響區域面積變化如圖10所示。

圖10 大于70 dB的影響面積隨平飛段高度變化（僅考慮平飛段）

由圖10可知，平飛段高度低于200 m時，隨著高度的增大，噪聲影響面積變大，平飛段高度大于200 m 時，隨著高度的升高，噪聲影響面積變小，可見對于飛行小航線，升高航線后平飛段的影響面積變小，升高航線對于減小平飛段的噪聲有一定的作用。

5.2 飛行時間

升高航線后，飛機爬升距離加大，在起飛轉彎范圍內爬升時間變長，從式（1）中可以看出時間越長，飛機在空中產生的噪聲Lwecpn值越大，所以導致起飛轉彎處和平飛初期噪聲影響區域變大。航線越高，飛機在轉彎處爬升飛行時間越長，并且發動機需要的推力越大，都導致在此區域噪聲影響范圍越大。

5.3 噪聲衰減

通過INM軟件仿真可知，航線正下方噪聲影響區域變小，說明在沒有障礙物時噪聲符合衰減規律。航線高度取極值0時，噪聲影響范圍最小，這是由于INM 軟件考慮了飛機噪聲橫向衰減規律，當聲源處于低海拔時，噪聲擴散受到地表以及其它障礙物的遮擋吸收，噪聲擴散范圍變小，隨著航線的升高，聲源的擴散率也隨之提高，這就導致升高航線后飛機噪聲影響范圍變大，隨著航線繼續升高，根據衰減規律，噪聲的影響區域隨之變小。

6 結語

（1）介紹了我國飛機噪聲評價指標的選取，開發INM 軟件構建我國軍用飛機模型并仿真飛機在小航線上的飛行過程的飛機噪聲影響區域。

（2）研究了升高小航線平飛段后噪聲影響區域的變化，以Lwecpn為評價量，發現抬高航線后，起飛直飛段噪聲影響范圍無明顯變化，在平飛段中后期和降落段噪聲影響范圍變小并且噪聲也隨之減小，在起飛轉彎處和平飛初期噪聲影響區域反而變大；總的影響面積隨著航線的升高先降低，然后在600 m 之后突然回彈升高，但是總的影響面積變化不顯著，保持在108.5 km2；大于80 dB 和85 dB 的影響面積隨著高度變化呈現線性變化，隨著航線升高影響面積減小。大于75 dB的影響面積隨著高度變化呈現非線性變化，隨著航線升高影響面積減小，且減小趨勢在增大，從航線每升高100 m 影響面積減小約0.016 2 km2增加至減小0.868 4 km2；當噪聲敏感點集中在平飛段和降落階段時，升高平飛段航線的減噪效果較為明顯。

（3）對升高航線后在飛機起飛轉彎處的噪聲影響區域的增大進行了研究，得到升高航線后飛機空中飛行時間變長導致Lwecpn值變大，同時飛機噪聲符合衰減規律，INM 軟件充分考慮了這一重要影響因素，進而解釋了升高航線后噪聲影響區域先變大后減小的現象。