基于小航线平飞段高度变化的噪声影响区域评估

黄学林，王观虎，王 伟，唐 伟，林肖雯

（空军工程大学航空工程学院，西安710038）

越来越频繁的飞行任务产生的噪声对机场周围居民产生了严重的影响，我国几乎每一个机场都存在噪声污染的情况[1]，居民投诉机场的事件时常可见。由于军用飞机需要提高作战能力，发动机产生的噪声不可避免，这就造成了机场与当地环境保护之间的矛盾。军用飞机主要飞行小航线，小航线对机场周围的噪声影响一般比民航飞机产生的噪声大。

目前，国内外学者对飞机降噪措施进行了一定的研究[2–6]。武喜萍[7]在飞行程序模型的基础上分析了减噪起飞程序与进近程序的减噪效果。申华帅[8]对降低噪声烦恼指数的飞行航线进行优化，研究成果对减噪航线具有深远的意义。乔亚航[9]应用飞行程序以及航空器等方面的知识，建立了减噪模型，提出了计算方法并利用INM（Integrated noise model）软件进行了模拟仿真。王龙等[10]对飞机双螺旋桨干涉进行了降噪试验，验证了干涉降噪的作用。Paun等[11]通过直接对排气机进行适当的被动声学处理来降低航空涡轮发动机产生的噪声。Sanchez-Ricart等[12]提出了通过反射系数、吸收系数和透射系数的解析解来计算飞机噪声的衰减值。

分析国内外研究现状可知，大多数学者对于飞机降噪提出了很多措施并进行了验证，取得了一定的效果，都对减小飞机噪声做出了重大贡献，但是对于减小军用飞机在日常训练的小航线上飞行时所产生的噪声措施研究甚少，没有找到有效的解决方法。因此，本文从减少飞机在小航线飞行时产生的噪声，减少噪声对机场居民的影响这一需求出发，利用INM 软件仿真模拟飞机改变小航线平飞段高度，分析飞机噪声影响范围的变化。这对于减少飞机在小航线飞行时产生的噪声，维护军民共同利益有着重要的意义。

1 机场噪声评价方法

每个国家对飞机噪声评价都有各自的指标，美国主要运用Ldn（Day-night average sound level）来评价飞机噪声，英国则提出噪声事件指数等。我国主要使用Lwecpn（Weighted equivalent continuous perceived noise level）作为飞机噪声的评价量[13]，其计算公式为

式中：LEPN（Equivalent perceived noise level）表示有效感觉噪声级，将噪声持续时间内的修正感觉噪声级在10 s 内取平均，N1、N2、N3表示白天、晚上、夜间的飞行量。LEPN的计算公式为

式中：t0表示基准时间，一般取为10 s，t1和t2表示单个噪声影响的有效时间范围，LPNT（Perceived noise time level）表示瞬时噪声级。

2 小航线

作战飞机常用的起落航线有小航线、直线穿云航线等6种[14]，小航线是比较常见的飞机在昼间和夜间简单气象条件下训练的航线，由于飞行高度较低，飞机在整个航线飞行过程中都是由飞行员通过眼睛进行观察跑道和T字布。小航线的组成分为起飞航线和降落航线。飞机起飞离地达到150 m左右时进行180°的转弯，在转弯过程中爬升至平飞高度，一般为400 m～600 m，开始沿着平行跑道方向平飞；平飞一段时间后进行120°转弯开始下滑，再进行60°转弯对准跑道直飞下滑。本文主要利用INM 软件通过仿真预测飞机在小航线飞行过程的噪声影响。

3 INM软件开发

INM 是一款国内外常用的飞机噪声计算软件，它能够利用飞机噪声产生和传播的影响参数[15]，如机场的温度、湿度、风速、气压、跑道的海拔与长度、保障机型、航迹剖面等，根据不同的噪声评价量绘制机场周围噪声影响区域等值线图，并输出特定敏感点的噪声值，准确性较高，在工程应用中具有十分直观、简洁的特点，因此，在机场飞机噪声环境的预测、评价方面具有很好的应用前景。但是INM 也存在一定的局限性，其数据库中只有美国部分民用飞机和军用飞机，并且有些参数也不齐全，不含有我国任何机型的噪声数据，无法直接应用于我国军用飞机噪声计算。若利用INM进行噪声预测，需要提前搜集军用飞机的各项参数，最主要的就是找到我军飞机的NPD（Noise-power-distance）特性数据以及飞机的其他重要参数，比如飞机的尺寸重量、发动机数量、推力大小等。

3.1 飞机NPD特性数据

不同型号的飞机所产生的噪声影响差别显著，为了方便衡量不同机型飞机的噪声影响引出了飞机NPD特性数据，飞机NPD特性数据是指在基准条件下，飞机以一定速度平稳直线飞行时，噪声级L与垂直噪声传播距离s和发动机功率P的函数关系[16]，即：

基准条件是指：风速不大于8 m/s，大气温度为15°C，气压为101.325 kPa，湿度为70%，飞行速度为300 km/h。通过测量飞机在不同功率下的NPD特性数据，根据数据规律，利用多项式模型对其进行拟合。多项式模型是一种简单且较为准确的回归计算模型，表达式为

式中：A、B、C、D为待定系数，可以通过MATLAB 中的polyfit函数和polyval函数求得。

利用多项式模型建立飞机NPD 特性数据多项式回归模型，模型表达式为

3.2 机型构建

噪声模型中虽然没有我国飞机的NPD 特性数据和其他参数，但该模型为新机型的创建提供了接口，通过“Military airplane setup/ Military airplane data/Add record”命令可以编辑添加新的机型，主要参数包含发动机类型、最大起飞/着陆重量、最大着陆滑跑距离、NPD 特性曲线系列、发动机数量与单台静态推力等，以我军某飞机X为例，搜集飞机X的各项参数，确定飞机X的数据信息。

在Military Noise 选项中可以选取相应机型的NPD 特性数据，由于INM 中没有我军飞机的数据，所以在飞机起飞与着陆不同状态下，依次通过“Military noise identifiers”与“Military NPD data”命令编辑飞机噪声数据，需要注意将公制单位（米）换算为英制单位（英尺）。运用多项式预测模型，基于测量的数据将飞机X的NPD 特性数据预测出来，根据INM 中的要求，输入不同距离条件下的噪声数值。

3.3 起落航线构建

航线分为地面水平航迹和航迹剖面，首先在Tracks 里面建立地面航迹，这里不做过多说明。航迹剖面的构建相对来说较为复杂，首先需要通过“Military/Profile Identifiers”命令定义不同飞机起飞或着陆时的航迹剖面标识，然后选出剖面中飞机运行状态发生变化的关键点，“Military/Fix-Point Profiles”命令对所有关键点的路程、高度、速度、发动机推力等参数进行编辑。“Military/Profile Graphics”命令可以显示不同飞机、不同起落航线的整个航迹剖面的高度、速度、发动机推力等状态参数随路程的变化情况，各关键点之间的状态参数以线性插值的方式进行表示。

设计完成航迹投影（Tracks）与航迹剖面（Military profile）后就可以通过“Operations/Military flight operations”命令构建起落航线，并编辑平均每日白天、傍晚、夜间3个时段采用该航线的实际飞行架次，这样就完成了新机型的构建与航线的构建，通过这一方法可以将噪声模型应用到我国机场飞机噪声环境的预测与评价工作中。

4 减噪效果评估分析

随着社会的发展，人们越来越注意飞机噪声对生活的影响。民用飞机在降噪方面做得已经十分完善，在民用飞机出场前就会对噪声进行检测，未达标的飞机不允许投入使用。但是军用飞机由于需要保持并提高飞机战斗力、提高飞机的性能，飞机自身的噪声很难减弱。为了减小军用飞机训练时的噪声，对于飞行小航线，本文提出改变飞行的起落航线方法，以平飞段飞行高度400 m 为基准，每次升高100 m，直至飞行高度达到800 m，用A、B、C、D、E航线表示。起飞段为飞机在第一次180°转弯前按照标准状态起飞，转弯后逐渐抬高航线直至平飞段，降落段为飞机在平飞后逐渐降落。研究在不同高度的情况下，飞机在小航线飞行时对机场周围噪声的影响范围。

首先对以平飞段400 m 高度进行研究，在INM中输入飞行剖面如表1所示。假定飞行任务为白天20架次、晚上10架次、夜晚5架次，以Lwecpn为评价指标，由于我国飞机噪声的标准以70 dB 为界[16]，输出70 dB以上的噪声区域如图1所示。

表1 飞行剖面

图1 平飞段400 m高度的噪声影响区域

同理，依次输出平飞段高度为500 m、600 m、700 m、800 m的噪声影响区域图，并将其通过File中的Export as DXF导入到CAD中，以400 m（黑色）和800 m（红色）叠加为例，如图2所示。

图2 不同高度影响区域叠加

为了量化比较航线A～E各影响范围的变化，通过CAD 面积计算命令可以得到各阶段噪声影响区域的面积，如表2 所示，并绘制大于85 dB、大于80 dB、大于75 dB、大于70 dB 的影响面积随着高度变化的情况示意图，如图3至图6所示。

从图2和表2中可以看出抬高航线后，影响面积在起飞直飞段无明显变化，在平飞段中后期和降落段噪声影响范围变小并且噪声也随之减小，在起飞转弯处和平飞初期噪声影响区域反而变大，但是随着航线的升高大于75 dB 的噪声范围在逐渐减小，在500 m 到800 m 之间，航线每升高100 m，影响面积减小约0.672 2 km2。从表2 可以看到，总的影响面积随着航线的升高先降低，然后在600 m 之后突然回弹升高，但是总的影响面积变化不显著，保持在108.5 km2。噪声大于85 dB 的区域从27.981 4 km2降至21.358 7 km2，航线每升高100 m 噪声影响区域平均降低了1.66 km2。

表2 不同飞行航线影响区域的面积

由图3 至图6 可知，噪声大于80 dB 和85 dB 的影响面积随着高度变化呈现线性变化，随着航线高度的升高影响面积在减小。噪声大于75 dB的影响面积随着高度变化呈现非线性变化，随着航线高度的升高影响面积在减小，且减小的趋势在增大，从航线每升高100 m影响面积减小约0.016 2 km2增加至减小0.868 4 km2。噪声大于70 dB 的影响面积随着高度变化趋势为先降低，然后在大于600 m 高度之后突然变大。为了分析这种情况，在INM中采用取极端值方法，将最低高度取为0，最高高度取为2 000 m，得到在平飞段高度为0和2 000 m时飞机噪声的影响区域如图7和图8所示。利用CAD计算出两者的面积，并结合图6绘制出噪声大于70 dB的影响面积随平飞段高度变化示意图如图9所示。

图3 大于85 dB的影响面积随着高度变化

图4 大于80 dB的影响面积随着高度变化

图5 大于75 dB的影响面积随着高度变化

图6 大于70 dB的影响面积随着高度变化

图7 平飞段高度为0 时的影响区域

图8 平飞段高度为2 000 m时的影响区域

图9 大于70 dB的影响面积随平飞段高度变化

由图7、图8和图9可得，在高度为0时影响面积较小，为67.045 4 km2，且噪声影响区域分布均匀，在高度为2 000 m 时影响面积较大，为101.841 9 km2，且噪声影响区域集中在起飞爬升段，尤其在180 度转弯处影响区域明显增加。当航线高度为0 时，飞机噪声影响范围最小，随着航线的升高飞机噪声的影响范围先变大而后减小，升高平飞段的航线，噪声大于70 dB 的影响面积减小不显著，但是在平飞段后期和降落阶段的飞机噪声影响区域显著减小。

综上，升高航线在一定程度上可以减少75 dB以上的噪声影响区域，特别在降落阶段尤为显著，但是升高航线后在转弯处的噪声影响区域先减小而后在600 m之后开始增加，可见航线高度在增加到600 m 时效果最好。升高航线后，特别是在400 m 的基础上增加，噪声影响面积变化不大，但是当在降落区域的噪声敏感点较多时，随着航线的升高，降噪措施的效果更为显著。

5 原因分析

5.1 平飞段降噪

为了分析平飞段的具体降噪情况，在INM中仅考虑小航线平飞段，删除其它的航线，将平飞段航线高度从100 m升高至800 m，间隔高度为100 m，其它情况保持不变，可得仅升高平飞段后，噪声大于70 dB的影响区域面积变化如图10所示。

图10 大于70 dB的影响面积随平飞段高度变化（仅考虑平飞段）

由图10可知，平飞段高度低于200 m时，随着高度的增大，噪声影响面积变大，平飞段高度大于200 m 时，随着高度的升高，噪声影响面积变小，可见对于飞行小航线，升高航线后平飞段的影响面积变小，升高航线对于减小平飞段的噪声有一定的作用。

5.2 飞行时间

升高航线后，飞机爬升距离加大，在起飞转弯范围内爬升时间变长，从式（1）中可以看出时间越长，飞机在空中产生的噪声Lwecpn值越大，所以导致起飞转弯处和平飞初期噪声影响区域变大。航线越高，飞机在转弯处爬升飞行时间越长，并且发动机需要的推力越大，都导致在此区域噪声影响范围越大。

5.3 噪声衰减

通过INM软件仿真可知，航线正下方噪声影响区域变小，说明在没有障碍物时噪声符合衰减规律。航线高度取极值0时，噪声影响范围最小，这是由于INM 软件考虑了飞机噪声横向衰减规律，当声源处于低海拔时，噪声扩散受到地表以及其它障碍物的遮挡吸收，噪声扩散范围变小，随着航线的升高，声源的扩散率也随之提高，这就导致升高航线后飞机噪声影响范围变大，随着航线继续升高，根据衰减规律，噪声的影响区域随之变小。

6 结语

（1）介绍了我国飞机噪声评价指标的选取，开发INM 软件构建我国军用飞机模型并仿真飞机在小航线上的飞行过程的飞机噪声影响区域。

（2）研究了升高小航线平飞段后噪声影响区域的变化，以Lwecpn为评价量，发现抬高航线后，起飞直飞段噪声影响范围无明显变化，在平飞段中后期和降落段噪声影响范围变小并且噪声也随之减小，在起飞转弯处和平飞初期噪声影响区域反而变大；总的影响面积随着航线的升高先降低，然后在600 m 之后突然回弹升高，但是总的影响面积变化不显著，保持在108.5 km2；大于80 dB 和85 dB 的影响面积随着高度变化呈现线性变化，随着航线升高影响面积减小。大于75 dB的影响面积随着高度变化呈现非线性变化，随着航线升高影响面积减小，且减小趋势在增大，从航线每升高100 m 影响面积减小约0.016 2 km2增加至减小0.868 4 km2；当噪声敏感点集中在平飞段和降落阶段时，升高平飞段航线的减噪效果较为明显。

（3）对升高航线后在飞机起飞转弯处的噪声影响区域的增大进行了研究，得到升高航线后飞机空中飞行时间变长导致Lwecpn值变大，同时飞机噪声符合衰减规律，INM 软件充分考虑了这一重要影响因素，进而解释了升高航线后噪声影响区域先变大后减小的现象。