累積飛行事件噪聲模型的建立和分析

閆國華，王 迪，魏曉飛，王 彪

（中國民航大學，天津 300300）

累積事件噪聲計算是基于單事件噪聲基礎(chǔ)上衍生得到的，它將考慮更多與實際相關(guān)的因素，所以研究累積事件噪聲更具有實際意義。關(guān)于描述在一個觀察位置針對飛機的一次活動的事件噪聲級計算已有很多研究。而該位置總的噪聲暴露級是通過將所有噪聲顯著的飛機活動，即影響到累積聲級的所有進港或者出港活動的事件聲級進行累積來計算[1]。全面的航空器噪聲和性能數(shù)據(jù)庫（ANP）為本文的建模提供了支持，該數(shù)據(jù)庫由航空制造業(yè)聯(lián)合噪聲鑒定當局經(jīng)歷多年建立起來，ANP為本文中所建議方法的主要數(shù)據(jù)源。下面給出計算累積事件噪聲的模型。

1 計權(quán)參數(shù)模型

1.1 計權(quán)等效聲級

時間計權(quán)等效聲級考慮所接收到的所有顯著飛機聲能，用如下公式進行表達

在噪聲指數(shù)所涉時間間隔T0內(nèi)，將所有N項噪聲事件進行迭加。t0為積分聲級的基準時間，LE,i為第i個噪聲事件的單事件聲暴露級，gi為時刻因變計權(quán)因子(通常將一天分為白天、晚上和夜間)。實際上，gi為規(guī)定時間段飛行次數(shù)的一個乘數(shù)。常數(shù)C可有不同的意義(標準化常數(shù)、季節(jié)性調(diào)整等)。

使用關(guān)系式g i=10Δi/10，式中，Δi為第i個時段的計權(quán)分貝數(shù)，公式1-1a可改寫為

即，時刻計權(quán)由附加的聲級予以表達。

1.2 平均最大聲級

一些噪聲指數(shù)是基于事件的最大噪聲級，而非基于時間積分指標。其中一個例子就是最大聲級的均值

通常應用于等效聲級較低、但最高聲級較高的情形(如，噴氣式飛機運行數(shù)量相對較少的機場)。一些指數(shù)通過如下關(guān)系式對和事件數(shù)N同時進行考慮

式中，常數(shù)K規(guī)定給予事件數(shù)量的相對權(quán)重。

1.3 特殊參數(shù)

一個特殊指標為“超閾數(shù)量”，即NAT。NATX為其最大聲級達到或超過一限定值X(dB)的噪聲事件的數(shù)量。可為一天的特定時段規(guī)定NAT標準(如，NATNight,70)。

1.4 計權(quán)飛行次數(shù)

累積噪聲級的估算，通過將某機場不同飛行航線的各類飛機所發(fā)出的噪聲加和進行計算。為了描述上述過程，引入下標

i表示機型或者類型；

j表示飛行航跡或子航跡(如果規(guī)定了子航跡)；

k表示飛行航跡段。

許多噪聲指數(shù)在其定義中包括時段計權(quán)因子g i。對于最大聲級的均值(公式1.2)，權(quán)重因子g i通常為1或0，取決于度量指標是包括一天的具體時段還是包括整個24 h。加和過程可通過引入“計權(quán)運行次數(shù)”予以簡化

式中Nij值代表i型別/類型的飛機分別于白天、晚上、夜間在航跡(或子航跡)j上的飛行次數(shù)。對于公式1-1b，觀察點(x，y)處的累積等效聲級Leq,w為

式中，T0為基準時間段，其取值見表1，LE,ijk為來自i類型飛機j航跡或者子航跡的k分段的單次事件噪聲級。

表中LAeq24為24 h平均聲級；LAeq,day為16 h日間平均聲級；LAeq,night為8 h夜間平均聲級；LDN為白天―夜間平均聲級；LDEN為白天―晚上―夜間平均聲級。

表1 不同形式的等效聲級L eq,w的參數(shù)Tab.1 Equivalent sound level parmeters of the different forms

2 最大聲級估算模型

2.1 最大聲級的計算

計算累積等效聲級是對所有噪聲顯著的飛機活動所產(chǎn)生的事件聲級LE直接進行求和。而累積最大聲級度量指標的計算，則并非如此簡單。按照規(guī)定，最大聲級與單次噪聲事件相關(guān)。但是，一次飛機活動能在某一給定觀察位置產(chǎn)生一個以上的噪聲事件(當其飛行航跡導致所接收聲音強度出現(xiàn)多次上升和下降時)。另外，對于一般所謂“最大聲級”這一通用表述，下列不同的定義為其賦予了不同的含義

a)公式1-2規(guī)定的，觀察位置發(fā)生的所有噪聲事件其最大聲級的均值；

b)公式1-2規(guī)定的，觀察位置處超出一指定臨閾聲級LT的所有噪聲事件的最大聲級均值；

c)絕對最大聲級(即“最大聲級”的最高值)。在此情形下，聲音僅僅來源于噪聲事件。

這表明，不同的度量指標對最大聲級進行求和方式也不同。

如果沒有閾值，觀察點(x,y)處發(fā)生的最大平均聲級可表示為

式中

式中函數(shù)u(k)決定分段的最大聲級Lmax,ijk是否為噪聲事件的最大聲級。

如果閾值為L T， 最大平均聲級可表示為

式中

這保證求和過程中僅包括最大聲級達到或者超過閾值LT的噪聲事件。

如果只需計算觀察點發(fā)生的所有噪聲事件中最大聲級的最高值，則相應的公式非常簡單

對超出閾值標準的事件數(shù)量予以估算的公式，類似于最大聲級均值的求取公式。但是，必須對計權(quán)的運行次數(shù)而不是聲級進行求和

2.2 將聲級分布用于最大聲級度量指標

單事件噪聲級的計算可針對同一航跡上同種型別飛機的所有活動得出相同的最大聲級[2]。這會導致和NAT等值線出現(xiàn)不切實際的不連續(xù)。實際上，不存在突然的變化；計算出的只是分散在中心值L0周圍的事件聲級的平均估算值。這種分散可由高斯分布函數(shù)切合實際地進行描述，分布函數(shù)的標準偏差為S

圖1 表示了這種類型的聲級分布。必須注意，分布函數(shù)的中央值L 0通常不等于存儲于NPD數(shù)據(jù)庫中的Lˉ值，因為Lˉ通常是通過求分貝的均值從測量中獲取的。Lˉ高于此分布的中央值，高出部分取決于標準偏差

圖1 聲級分布Fig 1.Sound level distribution

從實際測量操作中觀察到典型標準偏差S的特征值大概為2 dB[3]。這導致對數(shù)均值和算術(shù)均值之間出現(xiàn)0.5 dB的差值。出于同樣原因，在估算NAT值時也應考慮聲級的分布特點。原因可從圖1中清楚地看出：在此情形下，L0和Lˉ均小于閾值LT。如果不考慮分布，對NAT的影響會等于零。但是，對于此種分布的聲級，其中一些高于閾值，因而會影響到總的NAT。為了考慮該分布的特點，必須對公式1-9進行修改，將離散求和改為對函數(shù)v(k)進行連續(xù)分布函數(shù)積分

應注意，如在ANP數(shù)據(jù)庫中最大值通過對數(shù)平均從所測數(shù)據(jù)庫中估算出來，則算術(shù)平均數(shù)L0,k必須根據(jù)公式1-11求取。

3 模型的驗證

為了驗證累積事件的噪聲模型的可行性，采用B737-300起飛離場過程數(shù)據(jù)，以及Delphi 7.0軟件編程實現(xiàn)航跡的繪制和各參數(shù)的計算[4]。計算中采用的基本條件為：逆風風速為8 kt、跑道位于海平面高度、跑道無坡度、空氣溫度為59 F°（15 C°）。

表2 B737-300起飛時的參數(shù)表Tab.2 Parameter table when the B737-300 takeoff

關(guān)于噪聲參數(shù)的計算，首先要對飛機起飛剖面航跡進行計算。航跡的計算過程在單事件的噪聲過程中均有說明。分別在基本條件下的航跡圖及輸入坐標點（X=6 000，Y=900，Z=800）時計算出計權(quán)等效聲級（Leq,W）和最大級的平均值（），其中Leq,W=95 dB=98 dB。

4 結(jié)語

國際標準化組織ISO、國際民航組織ICAO都推薦了飛機噪聲的評價方法，一些國家也提出了各自的評價方法。盡管國際上用于機場噪聲暴露的模型很多，但各個模型都有相似之處，綜合了類似的影響基元，其中各個模型的基本差異在于：單個噪聲事件聲級度量單位選擇的不同；對許多噪聲事件作用累加規(guī)則選擇的不同；規(guī)范化常數(shù)選擇的不同。

本文通過對兩個參數(shù)模型的描述和比較最終計算出特定坐標點下的計權(quán)等效聲級和最大平均聲級，并編程實現(xiàn)了模型的驗證，從中可以清楚看出各模型的計算步驟，為我國制定相關(guān)的累積事件標準提供了理論研究基礎(chǔ)，并為仿真計算提供了算法和模型參考。

[1]中國科學院聲學研究所，GB9660-1988，機場周圍飛機噪聲環(huán)境標準[S].北京：國家環(huán)?？偩郑?988.

[2]唐狄毅，李文蘭，喬渭陽.飛機噪聲基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1995.

[3]ICAO,ANNEX 16 VOLUME I,International standards and recommended practices，aircraft noise[S].Montreal,1993.

[4]ECAC.CEAC Doc 29 3rd Edition,Report on standard method of computing noise contours around civil airports,volume1:applications.guide[S].ECAC.CEAC,2005.

[5]FAA,FAR 36,Noise standards:aircraft type and airworthiness certification[S].1990.

[6]楊 宇，張 莉.新概念Delphi 7教程[M].長春：吉林電子出版社，2008，1-316.