民用飛機噪聲適航審定中偽純音影響的去除方法

宋亞輝，盧曉東，張曉亮，張躍林

(中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安 710089)

0 引 言

根據中國民用航空局的《CCAR-36航空器型號和適航合格審定噪聲規(guī)定》[1](以下簡稱“CCAR-36部”)和國際民航組織的《國際民用航空公約-附件16-環(huán)境保護手冊-卷Ⅰ》[2](以下簡稱“ICAO附件16”)，運輸類大飛機、噴氣式飛機和直升機噪聲合格審定準則的基本要素是有效感覺噪聲級(Effective Perceived Noise Level,EPNL)，考慮了飛機噪聲對人類的主觀影響，由經過頻譜不規(guī)則性修正和持續(xù)時間修正的瞬間感覺噪聲級組成。在有效感覺噪聲級的計算過程中，頻譜不規(guī)則性修正是通過計及純音修正因子實現的。計算純音修正因子的數據來自于布置在地面上的傳聲器測量的噪聲頻譜，不可避免地受到試驗環(huán)境的影響[3-5]，主要有三個方面：(1)傳聲路徑上大氣不均勻性和擾動；(2)地面對聲波傳播的影響；(3)噪聲頻譜分析和數據修正方法。這些影響因素導致測量的噪聲頻譜中含有非飛機噪聲的頻譜不規(guī)則性成份，通常稱為偽純音?！癈CAR-36部”及其咨詢通告(附件)[4]和“ICAO ETM”[5]中指出，由飛機噪聲源產生的純音適用于純音修正因子計算，由偽純音引起的頻譜不規(guī)則性在計算中無需考慮，需要去除其影響。通常，若不識別和去除由地面對聲波傳播影響引入的偽純音對純音修正因子計算的影響，可導致純音修正因子計算值偏大，使有效感覺噪聲級被高估。

“CCAR-36部”A36.4.3條中給出了一種通過窄帶分析來識別和去除偽純音的方法，這是一種精確地完全去除偽純音影響的方法，但是依靠窄帶分析等手段識別并量化偽純音非常困難，而且該條款也沒有給出具體的計算方法?！癈CAR-36部”咨詢通告(附件)和“ICAO ETM”中推薦了偽純音識別思路，并給出了與“CCAR-36部”中方法等效的偽純音去除方法，但也存在應用困難：一是因為其并未給出如何利用這些方法進行偽純音識別，二是偽純音去除方法存在過修正可能，當偽純音存在的頻帶與飛機真實純音的頻帶重合時，去除偽純音影響時也去除了飛機真實純音影響，導致純音修正因子被低估。

“CCAR-36部”咨詢通告(附件)和“ICAO ETM”中推薦的頻率跟蹤、窄帶分析和檢查噪聲時間歷程的偽純音識別方法本質上是一類方法，Rackl R[6]通過飛行試驗和數據計算表明，由于大氣湍流和測量點地面聲學特性不均勻等，實測頻譜中純音和偽純音的多普勒頻移規(guī)律并不理想，這三種方法難以可靠地識別和去除偽純音影響。美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)認可一種依賴于頻率跟蹤和檢查噪聲時間歷程等方法的頻率截斷法[6]，即在計算純音修正因子時忽略截斷頻率(一般是800 Hz)以下的頻譜不規(guī)則性，頻率截斷法能起到效果，但僅適合于特定機型的特定飛行狀態(tài)。實際上，改變傳聲器高度的方法是一類易于實現且精度相對高的偽純音識別方法。FLEMING等[3]和RACKL[6]通過將適航噪聲傳聲器提高至離地10 m，減弱了偽純音的影響，但改變適航噪聲傳聲器的高度不符合國內外適航規(guī)章要求。眾多研究者在研究地面對飛機噪聲傳播的影響時，形成了一種在地面布置帶剛性反射面的倒置傳聲器的試驗方法[7-8]，將這種設置輔助的倒置傳聲器的試驗方法與噪聲適航審定試驗相結合，可用于偽純音的精確識別。

“CCAR-36部”咨詢通告(附件)和“ICAO ETM”中的偽純音去除方法的思路是，在識別出偽純音出現的頻帶后，令純音修正因子計算步驟中這些頻帶的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，然后重新計算純音修正因子。實際應用這一方法時，若識別偽純音時也對飛機的真實純音進行識別，避免過修正，則能更合理地去除偽純音的影響?；谝陨戏治?，本文提出了一種滿足適航規(guī)章的、可靠的識別和去除偽純音影響的試驗和分析方法，并結合某型民機噪聲適航合格審定試驗對該方法進行了驗證。

1 偽純音的影響

根據“CCAR-36部”和“ICAO附件16”，評價運輸類大飛機和噴氣式飛機適航噪聲采用的是有效感覺噪聲級，有

式中，EPNL為試驗條件下的有效感覺噪聲級，PNLTM是最大純音修正感覺噪聲級，是純音修正感覺噪聲級PNLT(k)的最大值，D是持續(xù)時間修正因子，而

其中，k為0.5 s間隔的時間段序列號，PNL(k)是瞬間感覺噪聲級，n為PNLTM-10區(qū)間對應時間包含的0.5 s時間間隔的個數，C(k)是純音修正因子。

通常噪聲適航審定試驗中氣象條件、飛行航跡可能與基準條件不同，需要將結果調整到基準條件下，采用“完整的修正方法”[4-5]，有

式中，EPNLr為基準條件下的有效感覺噪聲級，PNLTr(k)是基準條件下的瞬間感覺噪聲級，Δtr(k)是基準條件下的時間間隔。

根據“CCAR-36部”和“ICAO附件16”中純音修正因子計算步驟可看出，偽純音的存在影響規(guī)章中的步驟(7)計算的平滑純音后的偽寬帶噪聲級，從而影響純音修正因子值。從式(1)～式(4)可以看出，純音修正因子影響PNLT(k)值和PNLTr(k)值，還影響PNLTM-10區(qū)間和PNLTMr-10區(qū)間的大小，從而影響有效感覺噪聲級結果。因此，應在計算純音修正因子時識別和去除偽純音影響，而且應在純音頻帶分割修正[1-2]前進行。

2 偽純音影響的識別與去除方法

2.1 偽純音影響的識別方法

圖1為民機適航噪聲測量和聲傳播示意圖，沿路徑r和r′傳播的是飛機噪聲的直達噪聲，沿路徑R和R′傳播的是飛機噪聲的地面反射噪聲，倒置傳聲器裝置布置在適航噪聲傳聲器旁，傳聲器倒置在剛性反射面上。試驗中飛機與傳聲器距離較遠，將噪聲源看作集中于噪聲參考點的點聲源，則倒置傳聲器處的飛機直達噪聲頻帶聲壓級SPLifree(i)為[7-8]

式中，SPLitest(i)是倒置傳聲器實測頻帶聲壓級，i為頻帶序號，r′和R′分別是倒置傳聲器接收的直達聲和反射聲傳播距離，Cτ為特定帶寬自相關系數。

圖1 民機適航噪聲測量和聲傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of civil airplane noise measurement and the sound propagation

對式(5)得到的倒置傳聲器處飛機直達噪聲進行傳播路徑和聲衰減調整[1-2,9]，即得到適航噪聲測點處飛機直達噪聲頻帶聲壓級SPLfree(i)，有

式中，r是適航噪聲傳聲器接收的直達聲傳播距離，α(i)是第i個頻帶的聲衰減系數。

為進行偽純音識別，令

式中，SPLtest(i)是適航噪聲傳聲器實測的頻帶聲壓級。則偽純音出現的頻帶應是ΔSPL(i)頻譜所有大于零的極大值所在頻帶[10]，即實現了偽純音的識別。

2.2 偽純音影響的去除方法

為避免當偽純音與飛機真實純音的頻帶重合時帶來過修正，對式(6)得到的適航噪聲測點處飛機直達噪聲進行頻譜不規(guī)則性分析，識別飛機真實純音及其頻帶，判斷偽純音與飛機真實純音的頻帶是否存在重合。借鑒“CCAR-36部”咨詢通告(附件)和“ICAO ETM”中的偽純音去除方法，可得以下改進的去除偽純音影響的方法。

按照規(guī)章中的步驟[1-2]計算實測適航噪聲的1/3倍頻程帶純音修正因子及其所有不為零的頻帶ni和純音修正因子及其頻帶N(若純音修正因子為0，認為N不存在)，采用式(6)的計算結果按照規(guī)章中的步驟計算1/3倍頻程帶純音修正因子所有不為零的頻帶mi和純音修正因子所在頻帶M(若純音修正因子為0，認為M不存在)，采用式(7)找出可能的偽純音所在的1/3倍頻程帶pi。分以下幾種情況處理：(1)若N和M都存在且N=M，表明實測適航噪聲純音修正因子計算未受偽純音影響，無需識別和去除偽純音影響；(2)若N不存在，表明實測適航噪聲頻譜不規(guī)則性可忽略，無需識別和去除偽純音影響；(3)若N和M都存在且N≠M，表明實測適航噪聲純音修正因子計算受偽純音影響，令規(guī)章中的步驟(9)的頻帶為pi且不為mi的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，重新計算純音修正因子；(4)若M不存在，表明真實飛機噪聲頻譜中的頻譜不規(guī)則性可忽略，實測適航噪聲頻譜的不規(guī)則性是由偽純音引起的，可令實測適航噪聲計算的純音修正因子為零，但為避免過度修正，令規(guī)章中的步驟(9)的頻帶為pi的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，重新計算純音修正因子。

基準條件下純音修正因子計算中偽純音的識別和去除仍采用上述方法。以完整調整方法為例，將飛越噪聲向基準條件調整時，也將倒置傳聲器實測及其計算的飛機直達噪聲向基準條件調整，然后按上述方法識別和去除偽純音影響。

3 試驗驗證與分析

圖2所示為某型運輸類噴氣式民機適航審定飛越噪聲試驗，飛越噪聲測量點布置在飛機航跡在地面的投影線上，離地高度為1.2 m，為識別飛越噪聲測量中的偽純音，在飛越噪聲測量點旁布置倒置傳聲器裝置。倒置傳聲器布置在經聲學剛性處理的白色圓形薄鋁板上方，感壓面平行于鋁板且距其上表面0.007 m，鋁板上表面與地面平齊。按照“CCAR-36部”要求，采用改變發(fā)動機功率飛越噪聲測量點上空目標高度的等效試飛方法[11-12]，發(fā)動機功率處于65.2%～99.2%之間(發(fā)動機功率表征參量為修正的N1轉速[1])，得到了7組有效的飛行試驗結果。

圖3為發(fā)動機功率為65.2%的飛越噪聲試驗的結果，圖中給出了覆蓋PNLTM-10區(qū)間內的結果。根據圖3(a)和圖3(b)，在中心頻率為1 000 Hz以下頻帶，實測噪聲受地面影響較大，頻譜不規(guī)則性明顯，而從圖3(d)可以看出，直達噪聲的純音修正因子所處頻帶在750 Hz以下，顯然飛機真實的顯著純音和偽純音存在頻帶重合，結合圖3(c)可以看出，多個時刻的純音修正因子受到了偽純音影響。對比圖3(e)和圖3(d)，若采用規(guī)章中的方法將所有受偽純音影響的頻帶都去除，得到的大部分純音修正因子都不在飛機真實顯著純音所處頻帶，也即是出現了過修正。對比圖3(e)和圖3(f)，若考慮飛機真實純音所處頻帶，將這些頻帶保留，得到的純音修正因子基本與飛機真實顯著純音所處頻帶相同，相比于圖3(c)，PNLTM-10dB區(qū)間內多個純音修正因子得到修正，也修正了PNLTM-10區(qū)間的大小(即θ值的范圍)。

圖2 某型運輸類噴氣式民機飛越噪聲試驗Fig.2 Flyover noise tests of a certain civil transport category jet airplane

圖3 發(fā)動機功率為65.2%的飛越噪聲試驗結果Fig.3 Flyover noise test results when engine power indicator N1C =65.2%

圖4 飛越噪聲試驗的有效感覺噪聲級結果對比Fig.4 Comparison of EPNL with and without pseudotone consideration in flyover noise tests

不管是飛機發(fā)出的直達聲，還是地面反射聲，都被人真實地聽到，基于這一考慮，“CCAR-36部”和“ICAO附件16”等要求除正常的適航噪聲測點測量的噪聲外，其余輔助測點的噪聲均不能參與有效感覺噪聲級的計算。本文的方法僅作為輔助去除偽純音對純音修正因子計算影響的手段，并未代替適航噪聲測點測量的噪聲來計算感覺噪聲級，雖然通過式(6)、式(7)能識別和量化偽純音影響，但最終并未采用“CCAR-36部”A36.4.3條中的方法，而是采用基于“CCAR-36部”咨詢通告(附件)和“ICAO ETM”中的等效處理方法的修正方法。在某些情況下，采用本文方法雖然識別出了偽純音影響，但為了避免過度修正，仍然保留了那些與飛機真實純音頻帶相同的偽純音的影響，最終的有效感覺噪聲級中仍包含偽純音對人聽覺的影響。實際上，規(guī)章中并未要求完全去除地面反射聲對有效感覺噪聲級的影響，即使在計算純音修正因子時能夠完全去除偽純音影響，但計算有效感覺噪聲級用到的瞬間感覺噪聲級也包含地面反射影響，規(guī)章中并未對此作處理要求。

圖4為飛越噪聲試驗的去除偽純音影響與不去除偽純音影響的有效感覺噪聲級結果對比?？梢钥闯?，偽純音對有效感覺噪聲級有明顯影響。分析7組飛越噪聲試驗數據可發(fā)現，在PNLTM-10區(qū)間內實測噪聲的純音大多處于2 000 Hz及以下頻帶，與較強的偽純音出現的頻帶多有重合，采用規(guī)章中的方法直接去除偽純音，有時也將該頻帶的飛機真實純音影響去除，即出現了過修正，得到的有效感覺噪聲級和基準條件下的有效感覺噪聲級分別比本文方法低0.06～0.25 EPNdB和0.06～0.29 EPNdB。相比于不去除偽純音影響，采用本文方法得到的有效感覺噪聲級低0.11～0.29 EPNdB，基準條件下的有效感覺噪聲級低0.03～0.30 EPNdB。顯然，不去除偽純音的影響導致有效感覺噪聲級被高估。本文方法盡可能去除了偽純音對有效感覺噪聲級計算的影響，又保留了與偽純音頻帶重合的飛機真實純音的影響，得到更能真實反映人在地面上對飛機噪聲感覺的噪聲水平。

需要說明的是，由于飛機噪聲(尤其是波長相對短的高頻噪聲)在傳播過程中易受試驗環(huán)境影響[10]，而試驗環(huán)境難以完全保持理想狀態(tài)，因此通過布置倒置傳聲器測量噪聲來識別和去除偽純音影響過程中，采用了以下處理：(1)設置高頻截斷頻帶，不修正偽純音對高頻噪聲測量的影響，本文選擇截斷頻帶為6 300 Hz；(2)盡可能保證兩個傳聲器測試數據的一致性，使倒置傳聲器與適航傳聲器之間的距離盡可能近，同時又不對適航噪聲測量產生明顯干擾[2]；(3)嚴格按照“CCAR-36部”等規(guī)章對試驗環(huán)境要求開展試驗，進行多次重復試驗測量。

4 結 論

本文提出了一種識別和去除偽純音對有效感覺噪聲級計算影響的試驗和分析方法，并結合某型民機噪聲適航合格審定試驗及其試驗數據對該方法進行了驗證。結果表明：本文提出的方法能可靠地識別偽純音對純音修正因子的影響，并采用“CCAR -36部”和其附件以及“ICAO ETM”中的方法，對其應用條件進行限定，去除地面影響帶來的偽純音對純音修正因子計算的影響，避免了偽純音影響識別不精確和容易出現過修正的問題，得到更能反映人在地面上對飛機真實噪聲感覺的有效感覺噪聲級。本文提出的方法易于飛行試驗和計算分析實現，符合“CCAR-36部”和“ICAO附件16”的要求，可為國產其它型號飛機噪聲型號和適航合格審定提供有益參考。