常玲玲
(中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程技術(shù)中心,西安 710089)
和其他運輸方式相比航空運輸具有快捷、安全、舒適等優(yōu)勢。近年來,航空運輸業(yè)的快速發(fā)展也帶來油耗增加、環(huán)境污染、噪聲污染等一些問題。關(guān)于噪聲污染,有關(guān)研究者、飛機(jī)制造商、航空運輸公司、機(jī)場等與航空運輸業(yè)相關(guān)的人員和實體都越來越重視[1-5]。
對于航空噪聲污染,不同的組織制定了相應(yīng)的適航噪聲規(guī)章。美國聯(lián)邦航空局(FAA)通過36-0修正案,采用新的36部噪聲型號適航標(biāo)準(zhǔn)和程序,要求新設(shè)計的飛機(jī)必須滿足該規(guī)章中關(guān)于噪聲的規(guī)定[6]。1981年,國際民用航空組織(ICAO)出版了第一版環(huán)境保護(hù)規(guī)章,規(guī)定了飛機(jī)噪聲限值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[7]。2002年中國民用航空局(CAAC)根據(jù)FAR Part 36的相關(guān)規(guī)定提出了CCAR-36部[8],以此來規(guī)范我國飛機(jī)適航噪聲限值。另外,一些國家和組織還制定了關(guān)于飛機(jī)噪聲的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),對飛機(jī)噪聲實行地方管治。我國于1988年頒布實施了《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》[9],且新的替代標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中[10]。
2021年,波音公司發(fā)布預(yù)測報告稱僅中國未來20年新民用飛機(jī)需求量就達(dá)8700架[11]。面對如此龐大的需求市場,低噪聲飛機(jī)的設(shè)計不僅是為滿足越來越高的適航許可證的要求,而且也是飛機(jī)制造商迎合市場競爭的重要手段。渦槳飛機(jī)是以渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)作為動力的飛機(jī),適于中速長距離飛行,具有低空和低速性能好、對起降要求低、性價比高、駕駛相對容易等優(yōu)點,近年來需求量明顯增加。渦槳飛機(jī)應(yīng)用廣泛,支線客機(jī)、運輸機(jī)、海岸巡邏機(jī)和反潛機(jī)大多為渦槳飛機(jī),因此,渦槳飛機(jī)的噪聲研究具有十分重要的意義。
渦槳飛機(jī)的噪聲指標(biāo)除了需滿足獲取適航許可證的噪聲要求外,還需滿足乘坐舒適性的要求。前者一般稱之為適航噪聲,后者一般指的是艙內(nèi)噪聲。
適航噪聲是指飛機(jī)起飛爬升和著陸進(jìn)近時存在的各種噪聲源對機(jī)場周圍環(huán)境的聲輻射總和。適航規(guī)章中的適航噪聲指標(biāo)分橫側(cè)噪聲、飛越噪聲和進(jìn)近噪聲三項。橫側(cè)噪聲和飛越噪聲都是飛機(jī)起飛爬升到一定高度時,在機(jī)場指定點所測得的飛機(jī)噪聲的聲輻射總和;進(jìn)近噪聲則是飛機(jī)進(jìn)近著陸下降到一定高度時,在機(jī)場指定點所測得的飛機(jī)噪聲的聲輻射總和。
《航空器型號和適航合格審定噪聲規(guī)定》(CCAR-36)、國際民用航空公約附件16《航空器噪聲》及美國聯(lián)邦適航條例《噪聲標(biāo)準(zhǔn):航空器型號和適航合格審定》(FAR36)等都對航空器的適航噪聲驗證測量方法有嚴(yán)格的規(guī)定,涉及試驗場地要求、飛行基準(zhǔn)、航跡確定、測點布置、數(shù)據(jù)獲取、記錄方法、結(jié)果修正及結(jié)果的有效性判別等諸多方面,其中絕大部分都給定了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)限制或要遵循的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等,但也有個別要求只作了某些限定(航跡檢測、測量結(jié)果的有效性分析等)[12]。
我國開展飛機(jī)噪聲適航工作依據(jù)為《航空器型號和適航合格審定噪聲規(guī)定》和《航空器噪聲》,國產(chǎn)飛機(jī)進(jìn)行噪聲適航審定時,運輸類大飛機(jī)的測量和計算必須按CCAR-36的程序步驟和實驗設(shè)備進(jìn)行測定,或者用中國民用航空總局批準(zhǔn)的等效程序來測定。
飛機(jī)噪聲適航審定評價的參數(shù)有等效連續(xù)A聲級、聲暴露級、感覺噪聲級PNL和噪度PN、有效感覺噪聲級等[13]。本文采用有效感覺噪聲級,它是對感覺噪聲級進(jìn)行修正后得到的噪聲級(包括持續(xù)時間修正和純音修正),單位為EPNdB。
根據(jù)有關(guān)規(guī)章的要求,渦槳飛機(jī)的噪聲適航審定需要測量三個不同位置的噪聲值,即飛越噪聲、橫側(cè)噪聲和進(jìn)近噪聲,其具體測量點位置為:(1)飛越基準(zhǔn)噪聲測量點在飛行航跡下方的跑道中心線的延長線上,與起飛滑跑點相距6 500 m;(2)飛越基準(zhǔn)噪聲測量點在與跑道平行且與跑道中心線相距650 m的延長線上;(3)進(jìn)近基準(zhǔn)噪聲測量點在飛行航跡下方的跑道中心線的延長線上,與跑道入口點相距2 000 m。圖1所示為飛機(jī)滑跑、起飛和進(jìn)場時的航跡示意圖,圖中同時給出了大型渦槳飛機(jī)起飛時橫側(cè)噪聲和飛越噪聲的量測點位置(圖1(a))及進(jìn)近時進(jìn)近噪聲的量測點位置(圖1(b))。
但在實際中渦槳飛機(jī)基準(zhǔn)飛越噪聲和進(jìn)近噪聲測量點是相同的,但不同飛機(jī)型號和構(gòu)型對應(yīng)的橫側(cè)測量點的位置也可能不同[14]。
國際民用航空公約中的飛機(jī)噪聲級通常每十年修訂一次,每次修訂都降低約10 EPNdB,因此飛機(jī)適航噪聲指標(biāo)設(shè)計除滿足第四階段飛機(jī)噪聲級外,至少還應(yīng)有15 EPNdB以上的總裕度以應(yīng)對不斷更新的飛機(jī)噪聲限制標(biāo)準(zhǔn)。
渦槳飛機(jī)適航噪聲限值與飛機(jī)的最大起飛重量有關(guān),兩者之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,渦槳飛機(jī)的適航噪聲指標(biāo)中進(jìn)近噪聲最大,橫側(cè)噪聲居中,飛越噪聲最小。
筆者所在單位正在進(jìn)行某型渦槳飛機(jī)的研制,該飛機(jī)為雙發(fā)動機(jī),設(shè)計最大起飛重量為27 500 kg。下面以該型飛機(jī)目標(biāo)噪聲與國際上運營的起飛重量相近的DHC-8-Q400和ATR72-500型渦槳支線飛機(jī)噪聲指標(biāo)為例,了解國際渦槳飛機(jī)噪聲指標(biāo)現(xiàn)狀。由圖2可知,上述三種飛機(jī)的噪聲適航噪聲級值都在圖中左側(cè)的水平線范圍內(nèi)。
三種渦槳飛機(jī)的適航噪聲值和裕度值示于表1。表1中DHC-8-Q400和ATR72-500渦槳飛機(jī)的噪聲值為實測平均值,某型在研渦槳飛機(jī)的為設(shè)計目標(biāo)值,裕度值為相對于規(guī)章第四階段噪聲級。
表1 渦槳飛機(jī)適航噪聲值和裕度值
國內(nèi)對飛機(jī)噪聲適航的研究相較于發(fā)達(dá)國家而言還不是很成熟,渦槳飛機(jī)亦是如此。
歐美發(fā)達(dá)國家對飛機(jī)噪聲研究非常重視。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、國際民航組織、美國航空管理局、歐洲民用航空委員會等組織都提出了有關(guān)航空器噪聲適航審定方面的若干行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)及航空器噪聲計算模型。如歐洲民用航空委員會于1987年出版了《民用機(jī)場周圍噪聲等值線圖標(biāo)準(zhǔn)計算方法研究報告》,并于2005年進(jìn)行再次修訂[15-16]。
國外的研究人員對飛機(jī)適航噪聲進(jìn)行了大量的研究。內(nèi)容涉及飛機(jī)設(shè)計與噪聲適航審定的關(guān)聯(lián)[17]、噪聲合格審定的數(shù)值方法[18]、飛機(jī)噪聲級的修正算法[19]、噪聲的預(yù)測方法及優(yōu)化[20]等方面。
國內(nèi)研究人員對飛機(jī)的適航噪聲也進(jìn)行了一些相關(guān)研究工作,涉及飛機(jī)飛行噪聲的預(yù)測方法[21]、適航審定規(guī)章制度[22]、聲等值線繪制[23]、民航飛機(jī)噪聲適航審定試飛基本程序的等效方法[24]、等效飛行試驗程序[25]等。
總體而言,在適航噪聲的研究中,關(guān)于橫側(cè)噪聲的研究還顯不足。
渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的大小是影響乘坐舒適性的重要因素之一。隨著飛機(jī)市場競爭的日趨激烈,艙內(nèi)噪聲也是決定飛機(jī)市場競爭力的重要因素之一。若艙內(nèi)噪聲過大引起的振動易導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞,也會導(dǎo)致儀器儀表靈敏度降低或出現(xiàn)過早損壞,因此如何降低飛機(jī)艙內(nèi)噪聲具有重要意義。
與適航噪聲不同,不同的國家和地區(qū)制定了適用于本國本地區(qū)的艙內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)[26],目前還沒有公開的國際標(biāo)準(zhǔn)對艙內(nèi)噪聲加以限制。盡管如此,隨著航空運輸業(yè)的快速發(fā)展,艙內(nèi)噪聲指標(biāo)逐漸成為飛機(jī)設(shè)計的重要指標(biāo)之一,且越來越得到重視。近年來,對飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的研究報道越來越多。
左孔成等[27]指出,飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的控制主要從噪聲源識別、降噪控制措施和噪聲傳遞路徑等三個主要方面開展工作。
從噪聲源來看,飛機(jī)艙內(nèi)噪聲可由不同的聲源或振源形成,通過空氣或結(jié)構(gòu)傳聲進(jìn)入艙內(nèi)[28]。聲源或振源可源自機(jī)身內(nèi)或機(jī)身外,聲源或振源的分布取決于機(jī)型[29]。渦槳飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲主要由其動力裝置渦輪螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起飛機(jī)壁板振動而產(chǎn)生的[29]。螺旋槳在運轉(zhuǎn)時必然會產(chǎn)生噪聲,螺旋槳拖出的渦系可誘發(fā)機(jī)翼翼面氣流脈動,氣流脈動將會以結(jié)構(gòu)噪聲形式,傳入機(jī)艙內(nèi)部,導(dǎo)致艙內(nèi)噪聲加大,且螺旋槳輻射的噪聲可誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動與聲疲勞[30]。此外,渦槳飛機(jī)巡航時艙內(nèi)噪聲的噪聲源還包括艙內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的噪聲及附面層噪聲。
渦槳飛機(jī)艙內(nèi)降噪可分為被動降噪和主動降噪兩類,其中:被動降噪主要為增大噪聲傳遞損失的方法,因飛機(jī)重量限制,被動降噪方法的降噪效果有限;主動降噪則是通過設(shè)置次級聲源或振源來消除噪聲源的干擾,包括改善噪聲源、優(yōu)化噪聲傳遞路徑等[27]。
外部噪聲源主要通過空氣傳聲與結(jié)構(gòu)傳聲兩種途徑進(jìn)入飛機(jī)艙內(nèi)。外部聲場以及空氣動力壓力場兩部分是空氣傳聲主要來源,主要通過機(jī)身、地板等結(jié)構(gòu)傳入艙內(nèi)。盡管目前民航客機(jī)采取了許多降噪措施,但艙內(nèi)噪聲降噪效果并不理想,主要原因為聲源識別困難及噪聲傳遞路徑識別問題,噪聲傳遞路徑識別問題至今沒有很好解決。
艙內(nèi)噪聲研究報道明顯多于適航噪聲。從相關(guān)研究文獻(xiàn)和報道來看,飛機(jī)艙內(nèi)噪聲研究內(nèi)容主要涉及噪聲機(jī)理、噪聲預(yù)測、降噪措施等諸多方面,且噪聲機(jī)理及噪聲預(yù)測研究較為系統(tǒng)。王春輝[31]對螺旋槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)并采用有限元方法對螺旋槳分級艙內(nèi)噪聲特點進(jìn)行分析。
渦槳飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲首先需明確艙內(nèi)噪聲的主要來源及產(chǎn)生的機(jī)理。研究表明,飛機(jī)艙內(nèi)噪聲來源主要有發(fā)動機(jī)噪聲、附面層噪聲、系統(tǒng)管路噪聲、系統(tǒng)成品噪聲、排氣噪聲等[32]。對于渦槳飛機(jī)而言,噪聲主要為外部噪聲(發(fā)動機(jī)動力裝置噪聲和機(jī)體結(jié)構(gòu)氣動噪聲),機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)載設(shè)備噪聲,艙內(nèi)噪聲主要受低頻噪聲的影響[33]。外部噪聲源產(chǎn)生的聲音通過空氣傳到機(jī)身引起艙壁振動向艙內(nèi)輻射引起艙內(nèi)噪聲。此外,機(jī)翼或其他結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的振動,通過機(jī)體結(jié)構(gòu)傳輸,可引起的艙內(nèi)噪聲??諝鈧髀暫徒Y(jié)構(gòu)傳聲在艙內(nèi)相互耦合又會引起結(jié)構(gòu)振動,繼而產(chǎn)生噪聲,如此反復(fù)形成最終的艙內(nèi)噪聲。
研究人員采用不同的方法對艙內(nèi)噪聲預(yù)測分析進(jìn)行了廣泛研究,常用的分析方法有聲壓矩陣傳遞法、聲阻抗分析方法、有限元法、模態(tài)疊加法、邊界元法、統(tǒng)計能量法等[31]。
從艙內(nèi)噪聲控制研究來看,利用客艙壁板結(jié)構(gòu)隔聲是飛機(jī)艙內(nèi)噪聲控制研究領(lǐng)域中的重要部分[34]。但對于渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲而言,傳統(tǒng)的隔聲、吸聲方法對低頻噪聲并不是非常有效,控制噪聲措施還有待深入研究。
此外,機(jī)體噪聲是飛機(jī)噪聲的重要組成部分之一,也是艙內(nèi)噪聲來源之一,國內(nèi)對機(jī)體噪聲領(lǐng)域研究開展的相對較晚[35]。
渦槳飛機(jī)噪聲分為適航噪聲和艙內(nèi)噪聲,適航規(guī)章對適航噪聲有嚴(yán)格限制,而艙內(nèi)噪聲是保證機(jī)組人員與旅客機(jī)的舒適性需求,適航規(guī)章中對艙內(nèi)噪聲沒有明確要求。適航噪聲指標(biāo)中的橫側(cè)噪聲及艙內(nèi)噪聲預(yù)測方法、噪聲傳遞的路徑識別及機(jī)體噪聲等還有待深入。渦槳飛機(jī)的噪聲發(fā)展趨勢為:
(1)新能源在渦槳飛機(jī)中的應(yīng)用。研究人員已開展新能源在飛機(jī)中的應(yīng)用研究,如俄羅斯已進(jìn)行氫能飛機(jī)、天然氣飛機(jī)試航研究,我國研究人員已進(jìn)行電動螺旋槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性的分析研究。新能源在渦槳飛機(jī)中的應(yīng)用是降低噪聲的有效途徑之一。
(2)機(jī)體結(jié)構(gòu)和艙內(nèi)環(huán)境聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計。近年來隨著聲學(xué)設(shè)計技術(shù)和手段的不斷發(fā)展,結(jié)合聲學(xué)進(jìn)行機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)艙環(huán)境聲學(xué)的優(yōu)化設(shè)計是降低噪聲的可行途徑。
(3)采用新型材料降噪。隨著航空新材料、復(fù)合材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、隔音材料的發(fā)展,在滿足適航規(guī)章防火、阻燃、無毒等要求前提下可在發(fā)動機(jī)、機(jī)體、機(jī)艙艙內(nèi)壁板等處采用吸聲和隔聲性能良好的新型材料以降低噪聲。
(4)加強(qiáng)噪聲傳遞路徑識別研究。噪聲的傳遞路徑主要有空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩種,但是渦槳飛機(jī)噪聲源種類較多且噪聲源產(chǎn)生的噪聲聲學(xué)特點不同在傳遞路徑存在相互作用。加強(qiáng)噪聲源噪聲傳遞路徑識別,可設(shè)置噪聲傳遞阻尼降低噪聲。
(5)機(jī)載設(shè)備降噪。渦槳飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備包括APU、液壓泵、起落架、換氣系統(tǒng)等,這些機(jī)載設(shè)備在工作時會產(chǎn)生噪聲,降低機(jī)載設(shè)備工作時的噪聲,有利于降低渦槳飛機(jī)的噪聲。