大型客機駕駛艙/客艙振動舒適性評估

李凱翔，代承霖，張飛，白春玉，牟讓科

1. 中國飛機強度研究所，西安 710065 2. 航空聲學與振動航空科技重點實驗室，西安 710065

安全性、經濟性、環保性和舒適性是評價民用飛機的重要指標。隨著民用飛機技術的飛速發展，當今客機的設計重點已從最初的飛機結構安全性設計逐步向經濟性、環保性和舒適性設計過渡。為了提高市場競爭力，民機設計廠商對艙室舒適性的重視程度日益增加。影響民用飛機艙室舒適性的因素主要有：振動、噪聲、氣壓與氣壓脈動、溫濕度、空氣品質、活動空間、座椅舒適度、照明、色彩等。

國內對飛機艙室內熱舒適性的研究較多。劉毓迪等利用計算流體力學研究不同個人通風送風溫度下飛機艙室內溫度場和流場分布，并結合人體平均皮膚溫度的評價方法對乘客熱舒適性進行研究。孫智等修正了飛機艙室內熱舒適性預測平均評價指標中的輻射換熱項，提出了適用于評價飛機駕駛艙內部熱舒適性評價指標。

對于艙室振動，目前CCAR25部中僅規定“艙內設備的振動和噪聲特性不得影響飛機的安全運行”，卻并未規定振動的具體物理特性及其對應的舒適度等級。GJB67.8A中給出了人機工效和舒適性評估標準，而且給出了振動暴露時間對舒適性造成的影響。

對于通用載具內部全身振動(WBV)舒適性的測試、評估和評價已較為成熟，并建立了相關標準。Burstr?m等通過試驗的方式評估波音737-800型號飛機在著陸過程中，客艙內部關于振動的健康風險。通過測量客機艙室內前排和后排乘務員座椅處的振動加速度得出，在著陸過程中主要振動來自于垂直方向(人體坐標系軸)，并且后排座椅的振動大于前排，以垂直方向為例，后排座椅處的頻率計權加速度和振動劑量值(Vibration Dose Value，VDV)比前排高50%以上。結合空乘人員在著陸過程中遭受多次振動沖擊的評估結果，飛機前排的空乘人員的健康風險處于“較低”水平，而飛機后排的健康風險增加到“中等”水平。K?sin等研究了某型直升機上WBV的暴露情況及振動與腰痛的關系。試驗共測試6架直升機，在連續飛行中測量計權加速度平均值，并將這些飛行試驗分為15個不同的工況進行分析。K?sin等發現，在8小時工作日內估計得到的平均計權振動值低于歐盟和國際標準的風險準則約束值，盡管振動水平較低，但直升機飛行員腰痛的發生率較高，這可能與直升機飛行員的姿勢以及全身振動有關。

程文華和呂繼航研究了某背負式單發螺旋槳飛機座艙振動舒適性，通過試飛測試，得出座椅處大幅值、高頻率的振動來自于螺旋槳的高速旋轉引起的諧振。在此振動水平下，至少滿足了飛行員連續飛行4 h的舒適性要求。Ciloglu等在實驗室環境下評估了起飛、著陸和湍流中巡航3種飛行狀態下的全身振動和動態座椅舒適性。通過振動臺回放振動信號，分別測量經濟艙座椅和商務艙座椅各位置處的加速度信號，然后分別基于國際標準ISO 2631-1：1997和英國標準BS 6841-1987計算全身振動并對舒適性進行評估。實驗得出，著陸時整體動態座椅舒適度最低。根據不舒適度評價表，3種不同的飛行狀態下全身振動處于“較不舒適”范圍內。商務艙座椅的全身振動暴露等級顯著小于經濟艙座椅，并且商務艙座椅顯著增加了座椅舒適性。張飛等根據飛機實測數據，通過頻率裁剪和調整幅值的方式設計主觀評價試驗需要的振動激勵，并完成主觀評價實驗，得出該型飛行客艙地板200 Hz以下的頻率是引起人體不舒適的主要原因。從加速度幅值上看，將實測譜的幅值降低至50%時，才能使大部分人的感覺達到較為舒適的水平。

從上述研究可以看出，目前針對大型客機艙室典型飛行狀態下各區域振動對人體影響評價研究較少，且多為振動對健康影響的評估，鮮有針對舒適性的評估。本研究針對某大型客機開展了全飛行剖面的振動環境飛行測試，獲取了駕駛艙/客艙多區域多測量點的振動加速度和對應的飛行參數，并依據ISO 2631-1：1997國際標準對不同狀態不同區域的振動舒適性進行了評估，為民用客機艙室舒適性設計提供了參考依據。

1 全身振動計算方法

本文主要研究民用客機飛行運營過程中，客艙典型工況下不同區域全身振動的計算以及振動舒適性的評估。典型工況主要包含：滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸滑跑和滑行等7種飛行狀態，以及駕駛艙、客艙前排、中排和后排4個區域，并分別采用ISO 2631-1：1997國際標準提供的舒適性頻率計權方法對各方向加速度進行疊加，最終得到各工況下的全身振動。

1.1 全身振動的基本評價方法

全身振動是將3個測點位置處(座椅面(坐墊)、座椅靠背和腳部地面)，3個方向(人體坐標軸下的、、軸，如圖1所示)計權后的加速度疊加得到的一個物理量。常用的表征振動評估值計權后加速度的均方根值，其表達式為

圖1 人體基本中心坐標系(坐姿)Fig.1 Basicentric axes of human body (seated position)

(1)

式中：()為平動或轉動在時域的計權加速度；為加速度的測量時間，在本文中為60 s。計權加速度的計算方法為：首先，依據ISO 2631-1：1997標準中給出的1/3倍頻程帶寬，對加速度信號進行帶通濾波，獲得各個帶寬內的時域信號；然后，參考1.3節中的計權系數，對各信號進行計權；最后，將計權后的時域信號進行求和，從而得到時域的計權加速度。

全身振動是座椅面、座椅靠背和腳部地板3個位置處振動影響下的綜合考量，同時每個位置處包含對應、和軸3個方向的振動。全身振動值的計算表達式為

(2)

式中：為全身振動加速度均方根值；r.m.s.為某一方向下的計權后加速度均方根值；為與r.m.s對應的乘數因子(Multiplying factor)，取值如表1所示。

表1 乘數因子Table 1 Multiplying factors

1.2 高波峰因數振動的處理方法

ISO 2631-1：1997中規定了波峰因數(Crest Factors, CF)，其定義為頻率計權加速度信號的最大瞬時峰值與其均方根值的比的模。波峰因數可以用來研究基本評價方法是否適用于描述振動對人體影響的嚴酷程度。對波峰因數≤9的振動，基本方法中的均方根值一般是有效的；當波峰因數>9時，所評價的加速度信號中的沖擊較為明顯，需要統計最大瞬時振動值(Maximum Transient Vibration Value，MTVV)和振動劑量值(VDV)。

最大瞬時振動值由()時間歷程上的最大值給定。()的定義式為

(3)

式中：()為瞬時頻率計權加速度；為運行平均積分時間；為時間(積分變量)；為觀測時間(瞬時時間)。

最大瞬時振動值定義為

MTVV=max[()]

(4)

也就是在一個測量周期內所讀得()的最大值。

與加速度均方根值相比，振動劑量值對峰值更為敏感。四次方振動劑量值的定義式為

(5)

經驗表明，當MTVV和VDV超過式(6)和式(7)給出的閾值時，附加評價方法對評判振動對人體影響就變得很重要。

(6)

(7)

1.3 頻率計權

頻率計權是一個模擬人體對振動現象響應的頻率響應函數。由于人對不同頻率成分振動的敏感程度是不同的，因此可以通過1/3倍頻程下的頻率計權方式將原振動加速度信號轉化為更能準確表達人體所感受到加速度水平的物理量。

ISO 2631-1：1997中給出的處于坐姿狀態下的1/3倍頻程頻率計權值分別為、和，如圖2所示。飛行測試中航向為向，展向為向，垂向為向，與圖1所示坐標系一致。那么為坐墊向與地板、、方向的計權值，為坐墊、向和座椅靠背、向計權值，為座椅靠背向計權值。

圖2 計權值Fig.2 Weighting factors

可以看出，人體振動舒適性考慮的頻率范圍為0.1～400 Hz。需要指出的是，標準中雖然指出了對舒適性影響的振動頻率為0.5～80 Hz，但給出的頻率計權范圍為0.1～400 Hz。考慮到近年來的多項研究都表明，80 Hz以上振動依然會顯著影響舒適性感受。因此本文采用了中心頻率為0.1～400 Hz的振動信號進行了舒適性的評估。

另外，也可以看出，低頻振動對舒適性的影響遠大于高頻振動，如中心頻率400 Hz對應的計權系數值為0.001 95，不到中心頻率6.3 Hz相應計權系數1.054的1/500。

1.4 人體振動舒適性評價標準

ISO 2631-1:1997標準將計權加速度分為6檔，相應給出了從“沒有不舒適”到“極不舒適”的6檔人體主觀感受。表2給出了計權加速度和人體主觀感受之間的對應關系。

表2 振動環境下人體舒適性評價指標Table 2 Comfort reactions to vibration environments

2 飛行測試

振動加速度信號采集于某型客機實際飛行過程，采集了飛行全過程的駕駛艙/客艙加速度響應，根據飛行參數，分別截取了滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸和滑行等7個飛行狀態下穩定的信號，信號時長60 s。各個飛行狀態進行如下定義。

1) 滑跑：起飛前發動機未開加力，飛機在跑道滑行階段。

2) 起飛：起飛前發動機開加力，飛機加速在跑道滑行階段。

3) 爬升：起落架入艙后，飛行高度未達到巡航高度階段。

4) 巡航：飛機進入巡航高度階段。

5) 下降：飛機接近目的地，離開巡航階段，降低飛行高度階段。

6) 著陸：飛機著陸后，發動機打開反推階段。

7) 滑行：飛機關閉發動機反推，滑行至停機坪階段。

振動信號的測量位置分別位于駕駛艙、客機艙內前排、中排和后排座椅處(如圖3所示)。針對每一座椅位置，分別將對應加速度傳感器固定在座椅面、座椅靠背和腳部地面處，并對人體坐標軸下(航向)、(展向)、(垂向)3個方向的加速度進行測量。腳部地面處的三軸加速度傳感器型號為PCB 356B18(7#)，通過粘貼的方式固定在乘客腳部停靠的地板上。為準確測量具有柔性表面的座椅面和座椅靠背處的加速度信號，將坐墊傳感器(PCB 356B41，4#，5#)固定在一般乘客與座椅接觸的位置，并且在座椅上分別放置重75 kG的假人以模擬乘坐狀態。測試中同時監測了扶手處的振動信號(PCB 356B18，8#)。振動信號由LMS SCADAS Ⅲ 160通道數采集系統記錄，采樣頻率為5 120 Hz。以中排座椅為例，其靠背，座椅面以及腳部地面和扶手處的加速度傳感器安裝情況如圖4所示。

圖3 加速度測點位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of mounting locations of accelerometers

圖4 座椅加速度計布置情況Fig.4 Accelerometers arrangement of cockpit seat

3 艙室振動環境舒適性水平分析

3.1 駕駛艙/客艙振動環境

對典型飛行狀態下駕駛艙/客艙的振動環境進行了分析，由于采集的數據包含不同飛行狀態、不同區域、不同測點的數據，數據量龐大。限于篇幅，本文僅給出了巡航階段各典型區域的加速度功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)，如圖5所示。

圖5 巡航階段各典型區域的加速度功率譜密度Fig.5 Acceleration PSD of typical regions during cruise phase

3.2 峰值因數

由于波峰因數直接影響舒適性評估基本方法是否適用，因此首先對7個典型飛行狀態的波峰因數進行了計算，計算結果如圖6所示。

從圖6可以看出，7個典型飛行狀態的峰值因數全部小于9。因此，采用計權加速度的基本評價方法可以用來評估駕駛艙/客艙振動在各飛行階段的舒適性。

圖6 波峰因子Fig.6 Crest factors

3.3 客艙振動舒適性評價結果

3.3.1 客艙振動計權加速度統計結果

采用式(2)計算得到的全身計權振動加速度均方根值(RMS)如表3所示。將不同飛行階段各區域的全身計權振動加速度值由大到小進行排序，統計結果如表4所示。可以看出，總體來看，駕駛艙的振動計權值最大，其次為后排區域，前排和中排的振動計權值較小，其中中排區域在絕大多數飛行階段振動計權都為最小。

表3 全身振動加速度均方根值Table 3 Vibration total value of weighed RMS acceleration m/s2

表4 不同飛行階段全身振動加速度均方根值排序Table 4 Ranking of WBV acceleration RMS during different flight phases

表5給出了不同區域全狀態下的計權加速度均值與中位數。表6給出了不同飛行狀態所有區域計權加速度的均值和中位數。將全身計權振動加速度值按照從小到大進行排序，無論統計量為均值或中位數，排序是相同的。從客機不同區域的計權加速度來看，其排序順序為：中排座椅<前排座椅<后排座椅<駕駛艙，即中排座椅區域計權振動值最小，駕駛艙最大。從不同飛行狀態下的統計計權加速度來看，其排序順序為：巡航<下降<滑行<爬升< 滑跑<起飛<著陸。

表5 不同區域全身振動加速度均方根值的均值和中位數Table 5 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS at different positions m/s2

表6 不同狀態全身振動加速度均方根值的均值和中位數Table 6 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS in different flight phases m/s2

3.3.2 客艙振動舒適性水平統計結果

按照表2所介紹的振動環境下人體舒適性評價指標，將全艙位不同飛行階段的振動舒適性進行了評估，并采用色塊圖的形式對舒適性進行了區分，如圖7所示。

圖7 不同飛行階段不同位置的振動舒適性色塊圖Fig.7 Colormap of vibration comfort level at different positions during different flight phases

根據舒適性色塊圖，從各飛行階段角度來看，滑跑、爬升、巡航、下降和滑行階段的駕駛艙/客艙基本處于“沒有不舒適”和“有點不舒適”狀態，艙室的舒適性較好，尤其是占據客機大部分飛行階段的巡航階段，所有艙位都達到“沒有不舒適”的最低等級，但滑跑階段的駕駛艙振動舒適性較差，達到“非常不舒適”等級；起飛階段，艙室振動舒適性較差，駕駛艙和客艙后排座椅都達到了“不舒適”等級，前排和中排座椅區域，也達到了“比較不舒適”等級；著陸階段，艙室舒適性最差，駕駛艙和后排都達到了“非常不舒適”的等級，前排座椅和中排座椅也分別處于“不舒適”和“比較不舒適”狀態。

從艙位來看，中排區域的舒適性最佳，在多個飛機階段皆為“沒有不舒適”和“有點不舒適”等級。前排區域舒適性也相對較好，只有在著陸階段達到了“不舒適”等級；而駕駛艙和后排相對較差，尤其是駕駛艙在滑跑、起飛和著陸階段都呈現出“不舒適”或“非常不舒適”等級。

4 結 論

通過對某客機駕駛艙/客艙(前、中、后排)區域座椅的加速度飛行實測，對該客機在滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸和滑行等7個典型狀態的振動進行了分析，并根據ISO 2631-1：1997的國際標準，計算了各狀態各區域的全身振動計權加速度和對應的振動舒適性等級，為開展客機艙室的振動環境設計與評估提供給了依據。