超聲速飛機噪聲合格審定標準制定中的關鍵要素分析

楊曉軍 周昊旻 李國良

摘要：本文對航空環境保護委員會（CAEP）標準制定流程中出現的關鍵要素進行了詳細分析，以超聲速噪聲合格審定標準制定為例，從度量體系、測試程序、數據處理、嚴格度和成本效益分析這些關鍵要素著手，介紹了各個關鍵要素的現狀，得出了超聲速飛機在起降階段的噪聲標準制定中可以參考亞聲速飛機噪聲標準，而航線噪聲標準制定正處于起步階段，需要結合超聲速飛機特點，制定相應的聲爆評價指標體系、測試程序及數據處理方法，為以后超聲速噪聲合格審定標準制定提供參考。

關鍵詞：超聲速；噪聲；度量體系；合格審定

中圖分類號：V271文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.004

近年來，隨著噪聲合格審定標準越來越嚴格，飛機降噪技術不斷進步，亞聲速飛機噪聲水平不斷降低。在現有規章體系中，對沒有特殊類別的超聲速飛機，但任何新飛機都要符合亞聲速噪聲審定標準[1]。關于新一代綠色超聲速民機的研究[2]，美國、歐洲、俄羅斯等紛紛提出各自的概念方案，在強調傳統民機安全性、舒適性、經濟性等特點的同時，均把綠色環保放在至關重要的位置。我國在超聲速民機領域也開展了相應的研究工作，取得一定的進展，但實現經濟可承受的綠色超聲速飛行仍存在極大挑戰。現在的超聲速飛機的噪聲合格審定需要更新，以供未來有合適的噪聲裕度。

本文從噪聲審定合格標準制定著手，著重對標準制定中的度量體系、測試程序、數據處理、嚴格度和成本效益等關鍵要素進行分析。

1超聲速飛機背景

20世紀60—70年代，英法開始生產“協和”飛機并投入市場使用，當時雖然憑借超快速度和高安全性吸引了大眾的目光，但是由于飛行噪聲大、燃油成本高、產生的聲爆限制了可行的航線數量等原因結束了“協和”號飛機的壽命。隨著科技的不斷發展，人們開始追求快速的交通工具來滿足自己的出行需求，所以，超聲速飛機再次進入制造商的視野，而這次所面臨的挑戰就是開發滿足環境要求的超聲速飛機。

超聲速飛機的主要環保難點在于噪聲和燃油經濟性方面，隨著超聲速新技術的發展，如等離子激發射流、高縱橫比噴嘴（HARN）、可變循環發動機（VCE）等[3]，未來會對超聲速飛機提出更嚴格的要求，以此來減少對環境和氣候的影響。許多研發機構和制造商[4]（包括那些對超聲速飛機感興趣的制造商）正在采取積極措施來應對環境問題。Gulfstream、Boom、Aerion等許多公司開展了超聲速飛機項目，見表1。

雖然有很多超聲速飛機項目都在進行中，但關于超聲速飛機的噪聲合格審定目前沒有明確的標準，在國際民航組織（ICAO）發布的附件16卷I《航空器噪聲》中，規定可以參考亞聲速噴氣式飛機的噪聲合格審定作為指導原則，但是對可以接受的聲爆級尚未確定，且不能認為與亞聲速噪聲標準相符就可以進行超聲速飛行。因此，需要制定適合的超聲速噪聲標準，為超聲速飛機項目的研制提供確定的監管架構，負責標準制定的是ICAO的航空環境保護委員會（CAEP）。

2 CAEP環保標準的制定流程

CAEP制定的環保標準主要是附件16，目前已經成為各國國內規章的重要依據，歐盟、加拿大、巴西等制造商國家甚至在國內規章中直接引述附件16，美國和中國也在技術內容上與其保持一致，CAEP環保標準得到各國認可的主要原因在于其標準制定流程的穩健和專業。

CAEP環保標準制定的依據是：技術可行、經濟合理、環保收益，同時要考慮標準間的相關性。只有在市場上出現成熟的技術后，才會考慮制定相應的環保標準，并通過成本效益分析，以數據驅動的方式完成標準的制定，噪聲標準制定具體流程如圖1所示。

2.1評價指標體系

評價指標是指能公平評價各類航空器環境性能的指標，且具有一定的準確度，評價指標與參考參數一起成為完整的評價指標體系。

以亞聲速噪聲標準為例，評價指標為EPNdB，是一個將航空器噪聲對人類的主觀影響考慮在內的數值評價指標，參考參數為最大起飛重量（MTOW），如圖2所示。為準確評估飛機噪聲，需要在三個參考點測量飛機的噪聲級，分別包括飛越、橫側和進近點的噪聲測量，在麥克風的采集、換算，頻譜不規則性修正和PNL的持續時間修正的處理后，得到EPNdB。

在亞聲速噪聲評價指標體系建立后，隨著降噪技術的進步，噪聲標準逐漸嚴格化。例如，1977年的附件16卷I的第3章噪聲標準比第2章更加嚴格，降噪技術出現后，噪聲標準嚴格到第4章中的噪聲標準，第14章的嚴格程度相對于目前第4章嚴格7個EPNdB（累積）水平。

2.2測試程序

規范測試程序的目的是為了確保符合性試驗的一致性，并使不同型號的飛機在不同地理位置進行的試驗具有可比性。在亞聲速噪聲測試時的要求有以下三個方面。

2.2.1測量系統和設備的要求

測量系統必須由審定當局批準的并與下列裝置等效的設備組成：一個防風罩、一個傳聲器系統；一個記錄和重放系統，以便儲存所測得的航空器噪聲信號供以后分析；一個1/3倍頻程分析系統、校準系統，以確保上述系統聲學靈敏度在規定容限范圍內；并且測量系統及其組成設備的校準與檢查必須以審定當局規定的方法進行；測量系統性能符合基準環境條件，這樣就可以得出作為時間函數的1/3倍頻程聲壓級。

2.2.2測試環境的要求

必須在高出地面10m處進行環境溫度和相對濕度的測量。對于飛機，還必須在聲傳播路徑上方按照不大于30m的垂直增量來確定環境溫度和相對濕度；在每次試驗運行的整個過程中，必須在高出地面10m處進行風速和風向的測量；高出地面10m處的氣象條件必須在距離傳聲器位置2000m以內測量。

2.2.3測量點和飛行程序的要求

聲學認證涉及三個測量點的標準位置。橫側噪聲測量點：起飛時距跑道中心線450m，該點記錄的最高噪聲測量值；飛越噪聲測量點：跑道中心線的延長線上且離滑跑起始點6.5km；進近測量點：跑道中心線的延長線上且距跑道入口2000m，在進近航跡下方。在航跡測量方面，航空器相對于測量傳聲器的空間位置，必須用經過審定的、當局批準的、不依賴于駕駛艙飛行儀表的方法確定，而且航跡切入試驗程序已被批準作為等效程序，該程序為測試場的選擇提供了很大靈活性。

2.3數據處理

數據處理包括將被測值轉換為評價指標和把數據修正到基準工況這兩個部分。

2.3.1將被測值轉換為評價指標

EPNdB的計算過程包括：

（1）麥克風所采集到的噪聲為1/3倍頻帶聲壓級，用吶（Noy）表把24個1/3倍頻帶聲壓級換算成感覺噪度。將吶值相加，然后換算成瞬時感覺噪聲級PNL（k）。

（2）為了考慮對出現最大純音的反應，對每個頻譜要計算純音修正因子C（k）。

（3）每0.5s時間段上，將純音修正因子和感覺噪聲級相加，得到純音修正感覺噪聲級PNLT（k）。該PNLT（k）的瞬時值應按時間表注下來，并從中確定其最大值PNLTM，PNLT（k）由式（1）確定：

PNLT（k）=PNL（k）+C（k）（1）

（4）持續時間修正因子D是根據PNLT（k）與時間的關系曲線，通過積分求得的。

（5）有效感覺噪聲級EPNL由最大純音修正感覺噪聲級與持續時間修正因子的代數和確定：

EPNL=PNLTM+D（2）

2.3.2把數據修正到基準工況

測試的環境往往會與基準工況存在差異，因此需要對數據進行修正。以亞聲速噪聲標準為例，需要進行的修正包括大氣條件、飛機構型、飛行航跡、發動機功率等造成的差異。

噪聲數據的修正方法有簡化方法和完整方法。簡化的修正方法是將橫側、飛越及進場噪聲試驗PNLTM時刻的EPNL值修正至基準條件下；完整的修正方法是將每隔0.5s的噪聲頻譜修正至基準條件下，再進行EPNL的計算。

2.4嚴格度和成本效益分析

在得出不同機型的環境性能后，CAEP往往會依據數據分布特點，劃分得出不同的監管曲線，也稱為嚴格度曲線，為支撐最終的決策，CAEP通過成本效益分析評估不同監管水平可能帶來的環境收益和經濟成本，輔助最終的管理決策。

如在亞聲速噪聲第14章標準的制定中比第4章噪聲限制的累積水平減少3EPNdB、5EPNdB、7EPNdB、9EPNdB和11EPNdB，即有5個嚴格度選項，分別按機場計算并按地區為全球綜合計算了55dB、60dB和65dB晝夜平均噪聲水平（DNL）等高線之內的各個區域和人口數量。同時，制定了每種嚴格度情景的經常性和非經常性費用影響的模型。經常性費用影響的模型即直接運行費用，反映了航空器運營人所承受的各種費用，包括燃料費用、其他直接費用（包括機組、維修、航路、起降費），以及資本費用（包括航空器融資和折舊費用）的變化。非經常性費用包括制造商、航空器所有人和航空器運營人因噪聲嚴格度的情景可能承受的額外經濟影響。經常性費用和非經常性費用以及噪聲結果被合并為一種成本效益措施的形式。

CAEP對5個嚴格選項的綜合成本和收益分析，評估環境和經濟部分，以及美國準備的相同5個選項的平行分析。經過長時間的討論，CAEP/9同意相對于第4章的級別將嚴格性提高7EPNdB（累積），第14章的新標準在累積嚴格性要求之外引入了一個條件，該條件要求在每個認證點的第3章限制下有不少于1.0dB的余量。

對未來的噪聲嚴格性來說，CAEP/9噪聲嚴格性分析的非經常性成本建模方法可能不適用，因為新的噪聲嚴格性可能需要更先進的技術，使用CAEP/9模型可能會低估這些技術的成本，爭取在下一個CAEP周期開始更新潛在可用的成本模型。

3超聲速飛機起降噪聲標準制定中的關鍵要素分析

在現有附件16卷I中，并沒有明確的超聲速飛機起飛著陸（LTO）噪聲審定標準，僅提出可以參考亞聲速飛機的噪聲審定。目前，因為LTO階段不包含聲爆噪聲問題，所以正在制定中的超聲速飛機LTO噪聲標準參考了亞聲速飛機噪聲標準，預期將于2025年的CAEP/13會議上通過。

3.1指標體系分析

超聲速飛機起降噪聲標準擬采用與亞聲速飛機起降標準相同的EPNdB評價指標，即將噪聲限制設置為最大起飛重量（MTOW）的直接函數。

3.2測試程序和數據處理

目前，CAEP在進近方面已經確認可以采用與亞聲速噪聲審定相同的下滑道、下滑道角度、進近速度和進近構型；同時，建議采用與亞聲速噪聲認證相同的空速公差和聲學調整方法。但考慮到超聲速飛機獨有的特點，在以下幾方面進行了特別的規定：（1）飛機起飛時，速度必須是申請人所選定的、用于正常運行的所有發動機都工作時的起飛爬升速度，它必須至少為V2+19km/h，且不超過463km/h。（2）如果飛機采用程序直減率（PLR）和程序飛機配置變更，應該使其符合ETM第3.7.1節中可變噪聲降低系統（VNRS）定義[5]。PLR將是一種全自動功能同時并入發動機全權數字電子控制（FADEC）中，從起飛到PLR的推力轉換，將通過FADEC作為推力額定結構的一部分進行管理，確保了PLR的穩定運行，并在飛機日常運行中減少了相關的噪聲影響。程序飛機配置與PLR的不同之處在于它將被納入飛機飛行管理系統（FMS）中，通過FMS進行管理控制面的自動移動和飛機配置的變化，確保減少噪聲影響與日常操作始終保持一致。但是PLR和程序飛機配置更改可能會導致加速，需要解決。

3.3嚴格度分析所需的數據來源

進行嚴格度和成本效益分析前需要有數據支持，而以往CAEP制定的環保標準都是基于制造商產品實際試飛數據而完成的，但超聲速飛機制造商目前還沒有完成產品研制，所以沒有實際的數據。為了不耽誤標準的制定進度，CAEP決定可以先采用模型數據進行標準制定的預先研究，使用美國國家航空航天局（NASA）的數據驗證相關的噪聲預測模型，然后用模型去評估廠家產品的噪聲性能，這樣做的另一個原因是，很多廠家不愿意提供保密數據，所以只能用模型進行分析，但需要對模型與廠家分析之間的一致性進行分析。

3.3.1 NASA55t STCA數據驗證

NASA改進了一種超聲速技術概念飛機（STCA），使其成為一架重55t、巡航速度為Ma 1.4、航程為7778.4km的商務噴氣式飛機。NASA對其估算了飛行演示程序的認證噪聲水平，“Advanced Procedure”利用程序直減率（PLR）在起飛程序完成后自動減小最大可用推力（至10.7m），并將飛機加速至V2+102km/h的更高速度，由于PLR和高于V2+ 19-37km/h的飛行速度，飛機在每個點和累積裕度上都符合第4章的要求。

使用了ICAO Doc.9911方法估算噪聲認證水平，目前已將ICAO Doc.9911方法實施到三個CAEP批準的機場噪聲建模工具中：EUROCONTROL STAPES/IMPACT、UK CAAANCON、US FAAAEDT，使用這三種不同的模型估計噪聲認證水平，提供了模型噪聲認證水平與運行噪聲和性能數據之間的驗證交叉檢查。

結果見表2，三個模型中有一個無法在噪聲環境中提供結果，但提供了SAEAIR-1845平均機場大氣的結果。此外，使用較新的SAE ARP-5534將IMPACT提供的結果調整到認證大氣中，其結果與SAE ARP-866A的結果相同。這表明，模型與NASA估計的認證水平之間有很好的一致性，使用CAEP批準的Doc.9911噪聲計算方法，NASA認證估計的所有模型都在±1dB。兩者之間的評估認證噪聲水平差異見表3。

3.3.2三家原始設備制造商（OEM）數據驗證

三家原始設備制造商（OEM）分別提供了兩架超聲速公務機和一架超聲速客機的環境性能數據。按照與NASA 55t STCA數據相同的驗證和確認過程，列出了噪聲認證水平評估的結果，并顯示了與OEM評估認證水平的差異。除一個級別外，所有級別均在OEM認證評估值的±1EPNdB之內。超過±1EPNdB的一個值，則為0.1EPNdB，噪聲建模者認為是可以接受的。

綜上所述，在沒有試飛數據的情況下，可以通過模型數據驗證標準制定流程中的關鍵要素。這樣不僅可以為標準制定提供數據參考，還可以減少下一代超聲速飛機發展的現有障礙，而且開發商以合理投資完成飛機的設計，使超聲速飛機符合噪聲法規的要求。

4超聲速飛機航線噪聲標準制定中的關鍵因素分析

對于未來的民用超聲速飛機，克服聲爆的障礙仍然是環境合規的主要技術挑戰之一。針對超聲速飛機的噪聲審定，還應該在附件16卷I中包含一個新的標準，以處理超聲速飛行產生的航線噪聲。

航線噪聲標準與超聲速飛機的運行程序相關聯，目前主要運行方案有三種：第一種可以在未受限區域超聲速運行，如大洋飛行；第二種與第一種類似，但在受限區域（如大陸上方）以馬赫數截止速度（1.1～1.15）飛行，根據之前研究，在馬赫數截止速度下產生的壓縮波通過合理設計不會傳遞到地面；第三種是在所有超聲飛行階段都以產生低聲爆的速度飛行。目前的超聲速飛機設計都只能在水上超聲速飛行，以避免對人造成任何不可接受的影響。

但可以為低聲爆制定一個國際標準，這就有可能修改禁止民用超聲速飛機地面飛行的規定。而NASA正通過設計和應用聲爆緩解技術來實現低聲爆飛機這一目標。可以證明，在超聲速飛行期間，在地面聽到的噪聲是可以接受的，可以保護公眾免受噪聲的影響。

4.1評價指標體系

正在評估的評價指標，即聲爆指標一共有6個，包括：Stevens Mark VII感知水平（PL感知水平）、A加權聲暴露水平（ASEL）、B加權聲暴露水平（BSEL）、D加權聲暴露水平（DSEL）、E加權聲暴露水平（ESEL）、內部聲爆煩惱預測器（ISBAP）[6-9]，詳細內容見表4。

最終的指標與人的可接受度相關，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研究了大氣湍流對聲爆指標和煩惱度的影響，6種聲爆指標的影響隨湍流強度的增加而減小，同時標準偏差增加；不同指標類型的均值和標準差是不同的，而且湍流對不同指標類型的影響是不同的。

4.2測試程序和數據處理

以NASA SonicBAT[10]為基礎，為將來的飛行試驗計劃提供參考，測試試驗需要一架F-18的精確飛行在已知的地點和時間制造聲爆，目標是要獲得三種類型的數據：來自地面三個麥克風陣列和連接到TG-14機動滑翔機的麥克風的聲學數據；來自GPSsonde氣球發射、地面氣象塔和安裝在10m和44m高塔上的兩個超聲波風速計的氣象數據；來自F-18和TG-14的飛機數據。

主要聲學儀器陣列的位置應與飛行軌跡一致，這樣做是為了它能接收飛機下面發出的聲音，二級和三級麥克風陣列的部署是為了測量更多通過大氣層傳播的聲爆。主陣列由16個麥克風組成，每個間隔相距30m，再有4個麥克風，部署在第7個和第9個之間，二級麥克風在主陣列西北約2230m處，8個麥克風以十字形排列，十字形的每個臂上有4個麥克風，間隔30m，十字架的方向平行于主陣列。三級麥克風陣列部署在二級麥克風陣列西北約2230m處，其個數和擺放位置與二級麥克風陣列相同。飛機以馬赫數Ma 1.4、巡航高度10.4km的速度飛行，穿越各種級別的大氣湍流。

除此之外，NASA的SonicBAT項目還包括對湍流傳播的成形特征影響進行3D預測，該分析可為未來的航路低聲爆噪聲認證提供測量程序參考。

但由于多種原因，測量數據存在差異：從巡航高度到地面的高空風、準穩定飛行條件、通過大氣邊界層（PBL）湍流的大氣傳播、遠距離傳播（通過動態變化的大氣條件）等。所以，提出了兩個噪聲認證水平的方案評估，一個方案利用試驗和參考條件下預測噪聲的差異，將測量噪聲級調整到參考條件；另一個方案用于確定基準日條件下超聲速巡航飛行速度下的絕對認證噪聲級。

數據處理包括有關測量和數據經驗的分析，對測試數據先進行初始分析，計算每次超聲速通過的平均噪聲水平，然后再計算具有置信區間的總體平均值。CAPE成立了專門技術小組評估測量和分析超聲速航路噪聲數據的各種預處理和窗口選擇。

5結束語

民機超聲速要真正開始商業運行，還要克服原有的噪聲問題，ICAO正在制定的超聲速噪聲審定標準將有助于這一問題的解決，具體包括：

（1）超聲速飛機的起降階段與亞聲速飛機的起降階段并無異同，所以在超聲速飛機起降噪聲標準制定中可以參考亞聲速飛機噪聲標準，采用相同的指標體系。但在測試程序、數據處理和嚴格度分析方面，還需要考慮超聲速飛機獨有的特點。

（2）航線噪聲標準制定正處于起步階段，還需結合超聲速飛機特點，制定相應的聲爆評價指標體系、測試程序及數據處理方法。預計2028年的CAEP/14會議將完成航線噪聲標準的制定。

參考文獻

[1]Annex 16 to the convention on international civil aviationenvironmental protection，volume I-aircraft noise[S]. ICAO，2017.

[2]王妙香.2019年度國外民機總體氣動技術綜述[J].航空科學技術，2020，31（8）：1-8. Wang Miaoxiang. Overview of civil aircrafts aerodynamic technology in 2019[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（8）：1-8.（in Chinese）

[3]James E，Clifford A，Brenda S，et al. NASAs pursuit of lownoise propulsion for low-boom commercial supersonic vehicles[C]//2018AIAAAerospace Sciences Meeting，2018.

[4]The ICAO environmental report 2016[EB/OL]. [2016-09-02]. Https：//www. icao. int/environmental-protection/Documents/ ICAO Environmental Report 2016.pdf.

[5]Doc9501EnvironmentaltechnicalmanualvolumeI，procedures for the noise certification of aircraft third edition[S]. ICAO，2018.

[6]Stevens S. Perceived level of noise by Mark VII and decibels（E）[J]. Journal of theAcoustical Society ofAmerica，1972，51（2B）：575-601.

[7]ANSI S1.42—2001Design response of weighting networks for acoustical measurement[S]. American National Standards Insti-tute，2016.

[8]ISO1996—1Acoustics—description，measurementand assessment of environmental noise—Part 1：Basic quantities and assessment procedures[S]. International Organization for Standardization，2016.

[9]Loubeau A，Naka Y，Cook B G，et al. A new evaluation of noise metrics for sonic booms using existing data[C]//Recent DevelopmentsinNonlinearAcoustics：International Symposium on Nonlinear Acoustics Including the International Sonic Boom Forum，2015：090015.

[10]Bradley K，Hobbs C，Wilmer C，et al. The Influence of turbulence on shaped sonic booms[R]. NASA，2018.

Analysis of Key Elements in the Establishment of Supersonic Aircraft Noise Certification Standards

Yang Xiaojun，Zhou Haomin，Li Guoliang

School of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： This paper analyzes the key elements in the standard formulation process of Committee on Aviation Environmental Protection （CAEP） in detail， and takes the formulation of supersonic noise certification standard as an example. Starting from the key elements of measurement system， test procedure， data processing， strictness and cost-benefit analysis， it also introduces the current situation of each key element， which provides a reference for the development of supersonic noise certification standards.

Key Words： supersonic speed； noise； measurement system； certification