李東亞，胡 榮，許躍鳳，陳 琳

（南京航空航天大學 民航學院，南京 211106）

機場單噪聲事件評估方法改進研究

李東亞，胡 榮，許躍鳳，陳 琳

（南京航空航天大學 民航學院，南京 211106）

為了提高機場噪聲評估合理性，針對單噪聲事件，基于航跡模擬仿真數(shù)據(jù)，通過實距計算、插值計算和修正計算繪制機場噪聲動態(tài)等值線圖和敏感點噪聲變化圖?？紤]噪聲動態(tài)變化結(jié)果，分析現(xiàn)有靜態(tài)評估指標Amax不足，采用SEL指標并對噪聲敏感點進行噪聲補償處理。最后以廣州白云機場GYA方向進場為例，從地面和空間噪聲的分布對比分析了現(xiàn)行評估指標和改進評估指標的評估結(jié)果。結(jié)果表明：現(xiàn)行Amax指標評估忽視了噪聲累積，造成噪聲結(jié)果偏小，改進SEL指標與Amax指標相比較，敏感點噪聲值提高超過10 dB；改進SEL指標較Amax指標在各等級噪聲所影響面積、體積方面均有所增加。

聲學；噪聲評估；動態(tài)評估；機場噪聲；單噪聲事件

近年來，航空業(yè)迅速發(fā)展給人們出行帶來極大便利，然而隨著航班量的增加，飛機頻繁起降，導致機場噪聲問題日益突出。于是，飛機發(fā)動機減噪[1]、綠色飛行程序[2]、土地規(guī)劃利用[3]等減噪技術成為機場降噪這一課題的研究重點，而客觀合理的機場噪聲評估方法是驗證上述技術減噪效果的基礎。

目前機場噪聲評估的形式主要有兩種：

（1）機場噪聲靜態(tài)評估是現(xiàn)今較為常見的評估形式。一方面可以通過現(xiàn)有軟件INM、Noise Map[4]等直接輸出靜態(tài)噪聲等值線圖，另一方面可通過Surf、Matlab[5]等軟件編程繪制。然而，靜態(tài)等值線圖針對單噪聲事件多是采用Amax（最大A聲級）作為評估指標，未考慮噪聲覆蓋時間以及對不同區(qū)域影響的差異性，導致結(jié)果過于片面而不切實際，在使用過程中往往失去意義。

（2）機場噪聲動態(tài)評估利用噪聲歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)聚類或擬合發(fā)現(xiàn)噪聲分布模式并構造網(wǎng)格以快速生成等值線[6]，這是目前研究噪聲動態(tài)分布的有效方法，但該方法計算較為復雜，且要以歷史數(shù)據(jù)為基礎，對新建機場的噪聲分布預測應用性較差。

文中以廣州白云機場GYA方向進場（夜間，下同）為例，針對單噪聲事件，基于航跡模擬仿真數(shù)據(jù)，使用Matlab軟件編程，通過實距計算、插值計算和修正計算繪制機場噪聲動態(tài)等值線圖和敏感點噪聲變化圖。考慮噪聲動態(tài)變化結(jié)果，深入分析現(xiàn)有靜態(tài)評估指標，指出其不足，采用SEL（聲暴露級）指標，對噪聲敏感點進行噪聲補償處理，最后從地面和空間噪聲分布對比分析現(xiàn)行Amax評估指標和改進SEL評估指標評估結(jié)果。

1 機場噪聲動態(tài)評估

近幾年隨著我國機場噪聲監(jiān)測工作的開展，機場噪聲評估已形成了較為規(guī)范的系統(tǒng)體系，目前的成果多以噪聲數(shù)據(jù)和噪聲日平均噪聲靜態(tài)等值線為主，對機場噪聲的時空演化及可視化等方面的研究還不夠深入。與此同時，由于影響機場噪聲分布的因素較多，部署噪聲監(jiān)測設備成本較高，機場噪聲的動態(tài)可視化實現(xiàn)較為困難。

選用B767-300機型以廣州白云機場GYA方向進場為例進行噪聲評估，基于BADA（Base of Aircraft Data）模型、離散動態(tài)模型構建航跡預測模型[7]，使用VC++編程，生成IAP（Instrument Arrival Procedure）程序航跡。其中IAP程序中重要航路點信息如表1所示。

表1 IAP程序中航路點信息

采用Matlab編程，導入航跡數(shù)據(jù)（包括距離、推力、高度、速度、經(jīng)緯度等）以及B767-300的NPD（Noise Power Distance）數(shù)據(jù)，并進行單位換算，根據(jù)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計算實際距離，進行推力和斜距插值，得到經(jīng)緯度和各航跡點影響下的標準狀態(tài)噪聲數(shù)據(jù)，對標準狀態(tài)噪聲數(shù)據(jù)進行速度、側(cè)向衰減等修正得到修正噪聲，設置刷新頻率得到進場飛機按照時間變化的噪聲動態(tài)圖。

1.1 實距計算

根據(jù)航跡經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，可由式（1）計算實際距離

式中DIS是兩點間的實際距離，R=6 371.01 km；PI=π。

式中distance是Matlab中計算距離的函數(shù)；A(1)是A點經(jīng)度；A(2)是A點緯度；B(1)是B點的經(jīng)度；B(2)是B點緯度。

1.2 插值計算

插值計算包括推力插值和斜距插值[8]，推力插值的基本原理是將航跡推力插值計算得到基本NPD數(shù)據(jù)的擴展數(shù)據(jù)，從GYA到AGVOS包括n個重要航跡點，經(jīng)過推力插值可得到m（m為對應機型NPD數(shù)據(jù)表格行數(shù)）行n列的數(shù)據(jù)表格。斜距插值是在確定推力的前提下，計算網(wǎng)格各點距航跡點斜距，通過斜距插值得到網(wǎng)格各點噪聲值，其中斜距可通過式（3）計算

式中l(wèi)是網(wǎng)格點距地面航跡點距離，可根據(jù)式（1）計算，h是航跡點飛行高度。

1.3 修正計算

單架飛機的A聲級噪聲計算公式如下[8]

1.4 動態(tài)繪圖

經(jīng)過上述計算，可得到各網(wǎng)格點（a）受各航跡點（n）影響的噪聲數(shù)據(jù)共a×n個數(shù)據(jù)，使用meshgrid將經(jīng)緯度坐標網(wǎng)格化，使用griddata函數(shù)將噪聲數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，使用contourf函數(shù)繪圖，并使用drawnow函數(shù)刷新可得到n幀的動態(tài)圖，每幀圖代表飛機處于不同飛行位置的噪聲影響等值線圖，圖1、圖2為B767-300飛機執(zhí)行IAP程序起、終點噪聲影響等值線圖。

通過上述步驟在得到噪聲動態(tài)圖的同時，也能得到敏感點的噪聲變化數(shù)據(jù)，IAP程序中GYA方向進場從起點GYA至終點AGVOS共有四處噪聲敏感區(qū)域，如圖3所示。

敏感點噪聲變化如圖4至圖7所示。

隨著高度下降和推力增加，峰值噪聲不斷增加，對如下4點區(qū)域的噪聲評估需考慮其較低的噪聲承受能力。

圖1 IAP程序中GYA方向進場起始點噪聲等值線圖

圖2 IAP程序中GYA方向進場終止點噪聲等值線圖

圖3 GYA至AGVOS間噪聲敏感點

圖4 肇慶市第三人民醫(yī)院噪聲變化

圖5 白坭華立醫(yī)院噪聲變化

圖6 金沙中學噪聲變化

圖7 羅村中心小學噪聲變化

2 機場噪聲靜態(tài)評估

機場噪聲靜態(tài)評估表示一個時間段（一天、一周等）的噪聲分布情況，包含平均的思想，是將每個點的噪聲變化用一個噪聲值表示的過程。

2.1 現(xiàn)行評估方法

根據(jù)《機場周圍航空器噪聲測量方法》（GB9661-1988）和《機場周圍航空器噪聲環(huán)境標準》（GB9660-1988）規(guī)定，多事件累積噪聲評價量采用計權等效連續(xù)感覺噪聲級WECPNL，而作為單事件的噪聲評價量EPNL因為計算復雜且不能直接測量，故多采用最大A聲級（Amax）作為單噪聲事件評價量。Amax表示噪聲持續(xù)時間內(nèi)達到的最大噪聲水平，即在該時間段內(nèi)噪聲監(jiān)測設備讀出的最大值。

從實際應用效果來看，使用Amax指標計算并不理想，主要體現(xiàn)在兩方面：

（1）Amax只考慮了最大噪聲級造成的影響而不考慮覆蓋時間，忽視了最大噪聲級發(fā)生前后的噪聲累積效果，從噪度的角度來看，這不能夠真實反映該點的噪聲情況，往往會導致噪聲值偏小。

（2）Amax未考慮機場噪聲對不同區(qū)域（噪聲敏感區(qū)、非敏感區(qū)）的差異，導致結(jié)果過于片面而不切實際，在應用過程中往往失去意義。

2.2 改進評估方法

聲暴露級（SEL）考慮單噪聲事件持續(xù)時間段內(nèi)的所有噪聲級，而不只是其間的最大噪聲級，SEL綜合了噪聲時間段內(nèi)噪聲監(jiān)測設備的所有讀數(shù)，并給出一個總噪聲水平的估算結(jié)果，SEL度量了一個噪聲事件對噪聲受眾的全部噪聲影響，故采用SEL作為噪聲評價量更接近實際，SEL計算如式（5）所示。同時考慮進場路徑經(jīng)過的噪聲敏感區(qū)域，對噪聲敏感區(qū)域采用噪聲補償?shù)姆椒ㄒ员硎酒漭^低的噪聲承受能力。

其中l(wèi)og是以10為底的對數(shù)，在實際應用中，一般采用NΔt個時刻Δt，2Δt，3Δt，…，NΔt的離散值Li來代替連續(xù)函數(shù)L(t)。Li表示在iΔt時刻讀數(shù)，故SEL可近似表示為

在計算過程中，只需考慮與Amax相近的噪聲值即可，因為在對數(shù)函數(shù)中比Amax低10 dB以上的讀數(shù)值對SEL計算結(jié)果的影響很小，故比Amax低10 dB的噪聲數(shù)據(jù)暫不考慮[9]。

對于非噪聲敏感區(qū)，其計算如式（6）所示，對于噪聲敏感區(qū)，在式（6）的計算基礎上加上5 dB的噪聲補償[2，10]，如式（7）所示

噪聲敏感區(qū)以噪聲敏感點方圓500 m為界（可覆蓋周圍絕大部分噪聲敏感同類區(qū)域）。

采用此算法可得到1-4敏感點靜態(tài)噪聲值分別為59 dB、64 dB、68 dB、68 dB，而采用Amax指標1-4敏感點靜態(tài)噪聲值分別為48 dB、53 dB、56 dB、57 dB，明顯，通過噪聲累積計算的噪聲值更大，這更符合實際情況。

3 靜態(tài)評估結(jié)果分析

選用B767-300機型，以廣州白云機場GYA進場點為例，基于航跡模擬仿真數(shù)據(jù)，通過Matlab編程得到平面噪聲等值線圖和三維噪聲等值面圖，分別采用Amax指標與改進SEL指標從地面和空間兩個維度分析IAP程序噪聲影響結(jié)果，兩種評估方法的地面噪聲影響等值線如圖8和圖9所示。

圖8 GYA方向進場Amax指標靜態(tài)等值線

圖9 GYA方向進場改進SEL指標靜態(tài)等值線

噪聲限值以《社會生活環(huán)境噪聲排放標準》（GB22337-2008）規(guī)定的1類區(qū)域（居民住宅、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育等）夜間限值45 dB（A聲級）為準。

通過進一步計算可得Amax指標與改進SEL指標在45 dB以上噪聲影響面積、面積差及增加倍數(shù)，如表2所示。

表2 GYA方向進場Amax評估與改進SEL評估結(jié)果對比

為進一步了解兩種指標評估的影響范圍，特別是高度的增加對三維空間的影響，引入高度變量，量化計算噪聲在空間范圍內(nèi)的影響，如圖10-圖11所示。

因為廣州超過400 m的高層建筑只有3座，這里將最大高度設置為400 m（1 312.34英尺）可覆蓋絕大部分高層。計算可得Amax指標與改進SEL指標在45 dB以上噪聲影響體積、體積差及增加倍數(shù)，如表3所示。

通過Amax指標與改進SEL指標對GYA方向進場噪聲評估數(shù)據(jù)進行分析，可得出如下結(jié)論：

（1）Amax指標評估忽視了噪聲累積，造成噪聲結(jié)果偏小，改進SEL指標與Amax指標相比較，噪聲敏感點1-4噪聲值分別提高11 dB、11 dB、12 dB、11 dB。

（2）改進SEL指標較Amax指標在各等級噪聲影響面積、體積均有所提高；

（3）在機場噪聲污染日益加劇的背景下，機場噪聲影響亟需客觀合理的評估。

圖10 GYA方向進場Amax指標靜態(tài)等值面

圖11 GYA方向進場改進SEL指標靜態(tài)等值面

表3 GYA方向進場Amax評估與改進SEL評估結(jié)果對比

4 結(jié)語

基于航跡模擬仿真數(shù)據(jù)，使用Matlab軟件編程，通過實距計算、插值計算和修正計算繪制機場噪聲動態(tài)等值線圖和敏感點噪聲變化圖?？紤]噪聲動態(tài)變化結(jié)果，深入分析現(xiàn)有Amax評估指標不足，采用SEL指標并對噪聲敏感點給予噪聲補償處理，最后從地面和空間噪聲分布對比分析現(xiàn)行評估指標和改進評估指標的影響結(jié)果。

以廣州白云機場GYA方向進場為例對噪聲現(xiàn)行評估指標與改進評估指標進行對比分析，結(jié)果表明：

（1）現(xiàn)行Amax指標評估忽視了噪聲累積，造成噪聲結(jié)果偏小，改進SEL指標與Amax指標相比，噪聲敏感點1-4噪聲值分別提高11 dB、11 dB、12 dB、11 dB；

（2）改進SEL指標較現(xiàn)行Amax指標在各等級噪聲影響面積、體積均有所提高；

（3）在機場噪聲污染日益加劇的背景下，機場噪聲影響亟需客觀合理的評估。

當然，無論哪種評估指標，其評估結(jié)果不同的原因只是評價標準不同，噪聲實際影響并未發(fā)生變化。

[1]邱昇.基于伴隨方法的渦扇發(fā)動機涵道的氣動噪聲優(yōu)化設計研究[D].上海：上海交通大學，2013.

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Research on Improvement of the Methods of Single Noise Incident Evaluation

LI Dong-ya,HU Rong,XU Yue-feng,CHEN Lin
（College of CivilAviation,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics, Nanjing 211106,China）

The methods to improve the rationality of airport noise evaluation of single noise incident are studied.Based on the data of flight path simulation,the dynamic noise contour map and the sensitive-point noise change diagram are plotted in virtue of the calculation of the actual distance,the interpolation calculation and the correction calculation. Considering the dynamic changes of the noise,the shortage of the current static evaluation indexAmaxis analyzed.TheSELindex is used for noise compensation at the noise sensitive points.Finally,with the Guangzhou Baiyun Airport GYA entrance as an example,the results of the existing evaluation index and the improved evaluation index according to the ground distribution and spatial distribution of the noise are analyzed and compared.The results show that the existing evaluation index ignores the noise accumulation,resulting in an underestimation of the noise.In comparison with the existing evaluation index,the noise value increase of the sensitive points can exceed 10 dB by using the improved evaluation indexAmax,and the influencing area and volume also increase for the same noise level.

acoustics;noise evaluation;dynamic evaluation;airport noise;single noise incident

V19；TP301.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.022

1006-1355(2016)06-0111-05

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目（71401072，71201082）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（NR2014007，NS2015068）；南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金資助項目（kfjj20150705，kfjj20160702）

李東亞（1991-），男，江蘇省徐州市人，碩士生，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理。

胡榮，男，碩士生導師，江蘇省揚州市人，副教授。E-mail:hoorong@nuaa.edu.cn