C919飛機(jī)減推力飛越噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法研究

閆國華，劉寧寧

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

C919飛機(jī)減推力飛越噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法研究

閆國華，劉寧寧

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

為了在新設(shè)計(jì)飛機(jī)首飛測(cè)試前能夠預(yù)測(cè)飛機(jī)減推力飛越噪聲級(jí)，節(jié)省人員物力的消耗，縮短新設(shè)計(jì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)周期，對(duì)飛機(jī)減推力有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行研究；利用飛機(jī)的相關(guān)控制參數(shù)和有效感覺噪聲級(jí)公式推導(dǎo)了減推力飛越噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)方法；以空客、波音飛機(jī)為例，驗(yàn)證預(yù)測(cè)方法的有效性；并將該算法應(yīng)用在國產(chǎn)C919飛機(jī)飛越噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)中。

聲學(xué)；飛機(jī)減推力；飛越噪聲；有效感覺噪聲級(jí)；C919飛機(jī)

飛機(jī)適航審定過程中，飛機(jī)制造商要證明該飛機(jī)符合國際民航組織制定的噪聲標(biāo)準(zhǔn)——附件16第4章。隨著國際航空運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)民用航空飛機(jī)環(huán)保性能要求日益提高，國際民航界對(duì)民用航空飛機(jī)的噪聲控制水平要求越來越高，國際民航組織制定了新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)——附件16第14章。常規(guī)的飛機(jī)飛越噪聲級(jí)測(cè)量是按照標(biāo)準(zhǔn)的試飛程序[1]或者等效切入程序[2]進(jìn)行的，若測(cè)量的飛越噪聲級(jí)不符合標(biāo)準(zhǔn)，就要對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行更改設(shè)計(jì)，這就造成了人員物力資源的浪費(fèi)，也加長新飛機(jī)的設(shè)計(jì)周期。本文進(jìn)行的飛機(jī)飛越噪聲級(jí)預(yù)測(cè)方法研究可以有效地解決這個(gè)問題，本算法使得預(yù)測(cè)值與認(rèn)證值[3]的誤差在±2EPN dB范圍內(nèi)，闡明本算法預(yù)測(cè)飛機(jī)飛越噪聲級(jí)的有效性。

1 相關(guān)物理控制參數(shù)

適航審定的各類飛機(jī)飛越有效感覺噪聲級(jí)可以在噪聲型號(hào)合格證書上找到，噪聲型號(hào)合格證書刊登在歐洲航空安全局的官網(wǎng)[4]上。通常情況下，飛機(jī)制造商要以每種類型飛機(jī)的最大起飛重量進(jìn)行飛越噪聲級(jí)的適航認(rèn)證。各類型飛機(jī)的最大起飛重量m、機(jī)翼面積Aw、最大起飛推力Ft可以在飛機(jī)制造商的官方網(wǎng)站上獲得，是已知的參數(shù)。飛機(jī)的升力系數(shù)Clref和發(fā)動(dòng)機(jī)的靜止噴氣速度Vjs是需要估計(jì)的物理參數(shù)。

查閱各類飛機(jī)靜止噴氣速度涵道比的大量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)靜止噴氣速度與涵道比具有相關(guān)性涵道比越小，其靜止噴氣速度越大，見圖1。

根據(jù)歐洲航空安全局認(rèn)證的飛機(jī)飛越有效感覺噪聲級(jí)相關(guān)的數(shù)據(jù)（見表1）和飛機(jī)的最大起飛重量，利用Matlab軟件可以擬合出一條線，見圖2。表明飛越有效感覺噪聲級(jí)可以根據(jù)飛機(jī)的最大起飛重量進(jìn)行簡單的預(yù)測(cè)。

圖1 涵道比-靜止噴氣速度關(guān)系圖

圖2 最大起飛重量-有效感覺噪聲級(jí)關(guān)系圖

在飛機(jī)設(shè)計(jì)之初可以給飛機(jī)最大起飛重量確定提供借鑒，但是對(duì)于飛機(jī)的其他物理參數(shù)的確定沒有作用。

2 有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法

有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理[5]和聲學(xué)基礎(chǔ)原理[6]推導(dǎo)的，包含聲壓級(jí)公式和飛越有效感覺噪聲級(jí)組成。

2.1 聲壓級(jí)公式

發(fā)動(dòng)機(jī)推力Ft定義為

通過發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體質(zhì)量流量m?定義為

已知發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比u，通過查找靜態(tài)噴氣速度與涵道比關(guān)系圖（見圖1）可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噴氣速度Vjs，通過式（3）計(jì)算靜態(tài)噴氣馬赫數(shù)Mjs

其中Vjs是發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)噴氣速度。

飛機(jī)起飛安全速度V2定義為

從飛機(jī)制造商官網(wǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商官網(wǎng)可以查到，B787飛機(jī)的最大起飛重量是227 930 kg，翼展面積是325m2。測(cè)量點(diǎn)的空氣密度ρ0取最大起飛重量標(biāo)準(zhǔn)起飛程序起飛B787的起飛安全速度V2取將以上數(shù)據(jù)代入式（4）可以得到Clref=0.85。使用Clref和式（4）可以計(jì)算任何飛機(jī)的起飛安全速度V2。

本文中測(cè)量點(diǎn)的飛行速度取

可以求得測(cè)量點(diǎn)飛行馬赫數(shù)Mf

測(cè)量點(diǎn)的噴氣馬赫數(shù)定義為

其中πfan定義為

表1 各飛機(jī)飛越有效感覺噪聲級(jí)與最大起飛重量數(shù)據(jù)

其中γ為等熵指數(shù)

由此求得測(cè)量點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣速度Vj

飛機(jī)減推力飛越測(cè)量點(diǎn)的推力Fcb取最大起飛推力的90%，保證4%的爬升率[7]。

有效噴氣速度Ve可被定義為

其中mrel是相對(duì)速度指數(shù)

對(duì)于一個(gè)給定的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，噴射混合噪聲主要取決于噴氣速度Vj和飛行速度Vf。噴射角度為90度的發(fā)動(dòng)機(jī)，在距離為r的地方其混合噴射噪音的聲壓定義為

噴射角度影響指數(shù)n和相對(duì)速度指數(shù)mrel的值。當(dāng)噴射角為90度時(shí)θ=90°，考慮飛機(jī)的輻射聲功率則取n=8.5，否則n=8[8]。當(dāng)排放角等于90度時(shí)θ=90°，Tanna、Morris和Szewczyk建議mrel=5…6mrel=5…6，Viswanathan和Czech則建議更小的mrel值，取mrel=3.2…3.6mrel=3.2…3.6。

忽略密度變化的影響，根據(jù)公式（1）、式（2）、式（9）標(biāo)準(zhǔn)化聲壓等式，總聲壓級(jí)可以定義為

有效感覺噪聲級(jí)是經(jīng)過三分之一倍頻噪聲譜頻率加權(quán)后的噪聲，它不同于總聲壓級(jí)。加權(quán)后的有效感覺噪聲級(jí)EPNL考慮到了噪聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間的影響，噪聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間正比于飛越高度H，反比于飛行速度Vf。

有效感覺噪聲級(jí)可定義為

為解決電商人才匱乏的問題，青巖劉村應(yīng)妥善利用周邊資源，全力加強(qiáng)與高校之間的合作，不遺余力對(duì)接高校資源，引進(jìn)專業(yè)教師定期為青巖劉網(wǎng)商們進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)；以優(yōu)厚的條件吸引優(yōu)質(zhì)創(chuàng)業(yè)畢業(yè)生長期駐扎，不定期地開展創(chuàng)業(yè)交流活動(dòng)、分享創(chuàng)業(yè)心得。同時(shí)，青巖劉還應(yīng)加深校企合作，完善聯(lián)合辦學(xué)、合作培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)基地等長效機(jī)制，鼓勵(lì)大學(xué)生到青巖劉創(chuàng)業(yè)，通過共同培養(yǎng)人才，盡快彌補(bǔ)當(dāng)?shù)厝瞬湃笨?。此外，青巖劉還應(yīng)建立與發(fā)展“青巖劉智慧庫”，邀請(qǐng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)專家擔(dān)任優(yōu)質(zhì)導(dǎo)師，定期開展創(chuàng)業(yè)相關(guān)活動(dòng)，借助高校資源，積極引進(jìn)多種平臺(tái)宣講，創(chuàng)新電商運(yùn)營模式，多渠道探索創(chuàng)業(yè)之路，為青巖劉的電商生存提供鮮活的血液與動(dòng)力。

其中EPNLref是有效感覺噪聲級(jí)基準(zhǔn)值

2.2 減推力有效感覺噪聲級(jí)

飛機(jī)飛越噪聲級(jí)測(cè)量點(diǎn)在跑道中心線的延長線距離起飛滑跑起始點(diǎn)6 500 m處。因?yàn)檎麄€(gè)減推力飛越噪聲測(cè)量過程，發(fā)動(dòng)機(jī)處于由全推力狀態(tài)減推力至百分之九十，所以測(cè)得的噪音主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)和減推力噪聲測(cè)量點(diǎn)麥克風(fēng)之間的距離在不同的飛機(jī)型號(hào)和起飛重量下變化不大，因此飛越測(cè)量點(diǎn)的有效感覺噪聲級(jí)的主要影響因素是減推力下的有效噴氣速度和飛越測(cè)量點(diǎn)時(shí)的高度。

飛越測(cè)量點(diǎn)高度是距離滑跑點(diǎn)6 500 m處的垂直高度，可以通過起飛跑道長度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

起飛跑道長度定義為

其中C是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的自由常數(shù)，C=1.3；飛機(jī)起飛時(shí)的質(zhì)量等于最大起飛質(zhì)量。

飛越點(diǎn)的垂直高度可定義為

假設(shè)推力消減發(fā)生在距離滑跑點(diǎn)6 500 m-bH的地方，此時(shí)b=2，Vc1/Vf是全推力爬升率，Vc2/Vf是減推力爬升率。

其中Al定義為本文中n取n=8.5,因此Al=65。

其中參考值為Ft,ref=100 kN，Vf,ref=100 m/s，Href=500 m。雙發(fā)飛機(jī)的EPNLref,fo=74 EPN dB，四發(fā)飛機(jī)的EPNLref,fo=79 EPN dB。

3 應(yīng)用算例

將以上減推力飛越噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法應(yīng)用到已經(jīng)取得適航認(rèn)證的飛機(jī)上，并將計(jì)算結(jié)果與飛機(jī)認(rèn)證的有效感覺噪聲級(jí)進(jìn)行比較，驗(yàn)證該算法的有效性。首先要收集預(yù)測(cè)算法要求的原始數(shù)據(jù)，見表2。

將原始數(shù)據(jù)代入預(yù)測(cè)算法，計(jì)算值與歐洲航空安全局認(rèn)證的飛越有效感覺噪聲值進(jìn)行差值比較見表3

從表3可以得到，應(yīng)用飛機(jī)減推力飛越噪聲級(jí)預(yù)測(cè)算法計(jì)算的噪聲值與歐洲航空安全局認(rèn)證的噪聲值的差值都在2 EPN dB范圍內(nèi)，說明該預(yù)測(cè)方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算飛機(jī)減推力飛越有效感覺噪聲值。

表2 計(jì)算各飛機(jī)飛越有效感覺噪聲級(jí)原始數(shù)據(jù)

表3 各類型飛機(jī)飛越有效感覺噪聲級(jí)預(yù)測(cè)值與認(rèn)證值分析

3.2 飛越有效感覺噪聲級(jí)與有效噴氣速度Ve的關(guān)系

將各類型飛機(jī)的飛越有效感覺噪聲值-有效噴氣速度數(shù)值點(diǎn)繪制在同一坐標(biāo)圖中可得有效噴氣速度與標(biāo)準(zhǔn)有效感覺噪聲值的相關(guān)線，如圖3所示。

圖3 飛越有效感覺噪聲值與有效噴氣速度關(guān)系圖

從圖3可得當(dāng)有效噴氣速度增加，標(biāo)準(zhǔn)邊線有效感覺噪聲值增大，增大的幅度隨有效噴氣速度的增加有所減緩。該相關(guān)線直觀地反映了有效噴氣速度與標(biāo)準(zhǔn)有效感覺噪聲值之間的關(guān)系。應(yīng)用該相關(guān)線當(dāng)已知飛機(jī)的有效噴氣速度即可預(yù)測(cè)飛機(jī)的有效感覺噪聲級(jí)。

4 C919飛機(jī)減推力飛越噪聲預(yù)測(cè)

C919中型客機(jī)是中國首款按照最新適航標(biāo)準(zhǔn)研制的干線飛機(jī)，飛機(jī)首架機(jī)于2015年11月生產(chǎn)下線，計(jì)劃于2016年底進(jìn)行首飛。C919飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)選用的是CFM發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的LEAP-1C系列發(fā)動(dòng)機(jī)，其涵道比為11。飛機(jī)的最大起飛重量是77 300 kg，機(jī)翼翼展面積是115m2，起飛跑道長度是2 200 m。將C919飛機(jī)的參數(shù)代入預(yù)測(cè)算法，計(jì)算出C919飛機(jī)減推力飛越有效感覺噪聲值為89.14 EPN dB。將C919飛機(jī)和它的競爭機(jī)型B737系列及A320系列飛機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比如表4所示。

由上表的對(duì)比結(jié)果可以看出，這三個(gè)系列飛機(jī)除了發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比差別較大，其他主要參數(shù)都非常接近，但是C919飛機(jī)的減推力飛越有效感覺噪聲值比其競爭機(jī)型小了很多。說明國產(chǎn)大飛機(jī)C919在這一階段的飛機(jī)中更具競爭力。

目前所有申請(qǐng)的型號(hào)合格證和標(biāo)準(zhǔn)適航證都必須要符合第4階段噪聲限值（2006年1月1日或其后提交型號(hào)合格證申請(qǐng)的亞音速噴氣飛機(jī)為第4階段飛機(jī)）。國際民航組織航空環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（CAEP-前身為CAN）的第五次會(huì)議上，討論要求進(jìn)一步調(diào)整噴氣飛機(jī)噪聲限制。委員會(huì)決定三點(diǎn)測(cè)量噪聲級(jí)的總和必須比第三階段飛機(jī)噪聲限制總和要低（10 dB），在任何兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的噪聲級(jí)的總和必須是比相應(yīng)第三階段聲限制總和至少低2 dB。

假設(shè)第4階段飛機(jī)邊線、飛越、進(jìn)近有效感覺噪聲級(jí)分別在第3階段的基礎(chǔ)上-4 EPN dB、-2.5 EPN dB、-3.5 EPN dB。國際民用航空公約附件16第I卷[9]中規(guī)定第3階段飛機(jī)最大飛越有效感覺噪聲級(jí)為：1）裝有兩臺(tái)或少于兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)對(duì)于審定最大起飛質(zhì)量為385 000 kg或更大的飛機(jī)為101 EPN dB，并隨質(zhì)量的對(duì)數(shù)成線性變化減少。質(zhì)量每減少一半，噪聲級(jí)減少4 EPN dB，一直到減至89 EPN dB時(shí)，即保持不變。2）裝有三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)與1）相同。但是其中對(duì)應(yīng)的一句改為：對(duì)于審定量大，起飛質(zhì)量為325 000 kg或更大的飛機(jī)為104 EPN dB；3)裝有四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)與1)相同，但是其中對(duì)應(yīng)的一句改為：對(duì)于審定量大，起飛質(zhì)量為325 000 kg或更大的飛機(jī)為106 EPN dB。因此計(jì)算第4階段民用客機(jī)四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)和兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)的最大減推力飛越噪聲限值[10]分別為

表4 C919飛機(jī)及其競爭機(jī)型主要參數(shù)

已知國產(chǎn)大型客機(jī)C919飛機(jī)的最大起飛重量為77 300 kg，應(yīng)用上述公式計(jì)算的飛越最大噪聲限制值為91.72 EPN dB。通過預(yù)測(cè)算法計(jì)算的C919客機(jī)的飛越有效感覺噪聲值為89.14 EPN dB，因此可以預(yù)測(cè)國產(chǎn)客機(jī)C919符合第4階段飛機(jī)的飛越噪聲合格認(rèn)證要求。

5 結(jié)語

（1）應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和聲壓基礎(chǔ)公式推導(dǎo)出飛機(jī)減推力飛越噪聲級(jí)的預(yù)測(cè)的公式算法，以波音、空客等系列的飛機(jī)為例，計(jì)算其減推力飛越有效感覺噪聲值，將其與認(rèn)證的飛越有效感覺噪聲值進(jìn)行比較，結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與認(rèn)證值的誤差均在2EPN dB內(nèi)，驗(yàn)證了本算法的有效性。

（2）應(yīng)用該預(yù)測(cè)算法計(jì)算國產(chǎn)大型客機(jī)C919飛機(jī)減推力飛越有效感覺噪聲值，提前預(yù)測(cè)飛機(jī)飛越噪聲等級(jí)，有利于縮短C919飛機(jī)噪聲適航審定的周期。

[1]國際民航組織.環(huán)境技術(shù)手冊(cè) 航空器噪聲合格審定程序[S].2010：1-45.

[2]閆國華，段子瑜.確定切入飛行等效剖面的方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(3)：82-85.

[3]European Aviation Safety Agency.Type-Certificate Date for noise[S].Cologne:EASA,2015.

[4]EASA Noise Type Certificates[S].http://easa.europa.eu/ certification/type-certificates/noise.php.

[5]瞿紅春，林兆福.民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.54-56.

[6]閆國華，楊小軍.航空環(huán)境保護(hù)導(dǎo)論[M].天津：中國民航大學(xué)出版社，2014：31-47.

[7]國際民航組織.機(jī)場周圍噪聲等值線建議計(jì)算方法[S]. Doc 9911號(hào)文件，附錄C-3，2008.

[8]VISWANATHAN K.Scaling laws and a method for identifying components of jet noise[J].AIAA,Vol 44, 2006:2074-2085.

[9]ICAO.EnvironmentalProtection.Sixth Edition[S].Volume I,Aircraft Noise,July 2011.

[10]閆國華，楊小軍.航空環(huán)境保護(hù)導(dǎo)論[M].天津：中國民航大學(xué)出版社，2014：73-74.

Study on PredictionAlgorithm of the Flyover Noise Level of the C919Aircraft on Cutback Thrust

YAN Guo-hua,LIU Ning-ning
(College ofAeronautical Engineering,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China)

In order to reduce the period of new aircraft design and save the consumption of resources,the prediction algorithm of the flyover noise level of the aircraft on cutback thrust is studied.The related control parameters and the effective perceived noise level(EPNL)formula is used to establish the prediction algorithm of the flyover noise level of the aircrafts on cutback thrust.With the Airbus and Boeing series aircrafts as examples,the validity of the algorithm is verified. Finally,the algorithm is applied to the prediction of the flyover noise level of the domestic C919 aircrafts.

acoustics;aircraft cutback thrust;flyover noise;effective perceived noise level;C919 aircraft

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.021

1006-1355(2017)01-0093-05

2016-10-13

閆國華（1964－），男，博士，教授，天津市人，主要從事飛機(jī)噪聲適航與排放研究。E-mail:ghyan@cauc.edu.cn