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)

0 引言

和其他運(yùn)輸方式相比航空運(yùn)輸具有快捷、安全、舒適等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展也帶來(lái)油耗增加、環(huán)境污染、噪聲污染等一些問(wèn)題。關(guān)于噪聲污染，有關(guān)研究者、飛機(jī)制造商、航空運(yùn)輸公司、機(jī)場(chǎng)等與航空運(yùn)輸業(yè)相關(guān)的人員和實(shí)體都越來(lái)越重視[1-5]。

對(duì)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(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)通過(guò)36-0修正案，采用新的36部噪聲型號(hào)適航標(biāo)準(zhǔn)和程序，要求新設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)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(lái)規(guī)范我國(guó)飛機(jī)適航噪聲限值。另外，一些國(guó)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(duì)飛機(jī)噪聲實(shí)行地方管治。我國(guó)于1988年頒布實(shí)施了《機(jī)場(chǎng)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(cè)報(bào)告稱僅中國(guó)未來(lái)20年新民用飛機(jī)需求量就達(dá)8700架[11]。面對(duì)如此龐大的需求市場(chǎng)，低噪聲飛機(jī)的設(shè)計(jì)不僅是為滿足越來(lái)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。渦槳飛機(jī)是以渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的飛機(jī)，適于中速長(zhǎng)距離飛行，具有低空和低速性能好、對(duì)起降要求低、性價(jià)比高、駕駛相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)需求量明顯增加。渦槳飛機(jī)應(yīng)用廣泛，支線客機(jī)、運(yùn)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。

1 渦槳飛機(jī)的適航噪聲

1.1 渦槳飛機(jī)適航噪聲的涵義

適航噪聲是指飛機(jī)起飛爬升和著陸進(jìn)近時(shí)存在的各種噪聲源對(duì)機(jī)場(chǎng)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(xiàng)。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(shí)，在機(jī)場(chǎng)指定點(diǎn)所測(cè)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(shí)，在機(jī)場(chǎng)指定點(diǎn)所測(cè)得的飛機(jī)噪聲的聲輻射總和。

1.2 渦槳飛機(jī)適航噪聲的量測(cè)

《航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》(CCAR-36)、國(guó)際民用航空公約附件16《航空器噪聲》及美國(guó)聯(lián)邦適航條例《噪聲標(biāo)準(zhǔn):航空器型號(hào)和適航合格審定》(FAR36)等都對(duì)航空器的適航噪聲驗(yàn)證測(cè)量方法有嚴(yán)格的規(guī)定，涉及試驗(yàn)場(chǎng)地要求、飛行基準(zhǔn)、航跡確定、測(cè)點(diǎn)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(gè)別要求只作了某些限定(航跡檢測(cè)、測(cè)量結(jié)果的有效性分析等)[12]。

我國(guó)開(kāi)展飛機(jī)噪聲適航工作依據(jù)為《航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》和《航空器噪聲》，國(guó)產(chǎn)飛機(jī)進(jìn)行噪聲適航審定時(shí)，運(yùn)輸類大飛機(jī)的測(cè)量和計(jì)算必須按CCAR-36的程序步驟和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)定，或者用中國(guó)民用航空總局批準(zhǔn)的等效程序來(lái)測(cè)定。

飛機(jī)噪聲適航審定評(píng)價(jià)的參數(shù)有等效連續(xù)A聲級(jí)、聲暴露級(jí)、感覺(jué)噪聲級(jí)PNL和噪度PN、有效感覺(jué)噪聲級(jí)等[13]。本文采用有效感覺(jué)噪聲級(jí)，它是對(duì)感覺(jué)噪聲級(jí)進(jìn)行修正后得到的噪聲級(jí)(包括持續(xù)時(shí)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(cè)量三個(gè)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(cè)量點(diǎn)位置為：(1)飛越基準(zhǔn)噪聲測(cè)量點(diǎn)在飛行航跡下方的跑道中心線的延長(zhǎng)線上，與起飛滑跑點(diǎn)相距6 500 m；(2)飛越基準(zhǔn)噪聲測(cè)量點(diǎn)在與跑道平行且與跑道中心線相距650 m的延長(zhǎng)線上；(3)進(jìn)近基準(zhǔn)噪聲測(cè)量點(diǎn)在飛行航跡下方的跑道中心線的延長(zhǎng)線上，與跑道入口點(diǎn)相距2 000 m。圖1所示為飛機(jī)滑跑、起飛和進(jìn)場(chǎng)時(shí)的航跡示意圖，圖中同時(shí)給出了大型渦槳飛機(jī)起飛時(shí)橫側(cè)噪聲和飛越噪聲的量測(cè)點(diǎn)位置(圖1(a))及進(jìn)近時(shí)進(jìn)近噪聲的量測(cè)點(diǎn)位置(圖1(b))。

但在實(shí)際中渦槳飛機(jī)基準(zhǔn)飛越噪聲和進(jìn)近噪聲測(cè)量點(diǎn)是相同的，但不同飛機(jī)型號(hào)和構(gòu)型對(duì)應(yīng)的橫側(cè)測(cè)量點(diǎn)的位置也可能不同[14]。

1.3 渦槳飛機(jī)適航噪聲指標(biāo)現(xiàn)狀

國(guó)際民用航空公約中的飛機(jī)噪聲級(jí)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(jì)除滿足第四階段飛機(jī)噪聲級(jí)外，至少還應(yīng)有15 EPNdB以上的總裕度以應(yīng)對(duì)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(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)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(guó)際上運(yùn)營(yíng)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(guó)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(jí)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(shí)測(cè)平均值，某型在研渦槳飛機(jī)的為設(shè)計(jì)目標(biāo)值，裕度值為相對(duì)于規(guī)章第四階段噪聲級(jí)。

表1 渦槳飛機(jī)適航噪聲值和裕度值

1.4 渦槳飛機(jī)適航噪聲研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)噪聲適航的研究相較于發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)家對(duì)飛機(jī)噪聲研究非常重視。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、國(guó)際民航組織、美國(guó)航空管理局、歐洲民用航空委員會(huì)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(jì)算模型。如歐洲民用航空委員會(huì)于1987年出版了《民用機(jī)場(chǎng)周圍噪聲等值線圖標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法研究報(bào)告》，并于2005年進(jìn)行再次修訂[15-16]。

國(guó)外的研究人員對(duì)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(jì)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(jí)的修正算法[19]、噪聲的預(yù)測(cè)方法及優(yōu)化[20]等方面。

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)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(cè)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(yàn)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。

2 渦槳飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲

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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，艙內(nèi)噪聲也是決定飛機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一。若艙內(nèi)噪聲過(guò)大引起的振動(dòng)易導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，也會(huì)導(dǎo)致儀器儀表靈敏度降低或出現(xiàn)過(guò)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(guó)家和地區(qū)制定了適用于本國(guó)本地區(qū)的艙內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)[26]，目前還沒(méi)有公開(kāi)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)艙內(nèi)噪聲加以限制。盡管如此，隨著航空運(yùn)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(jì)的重要指標(biāo)之一，且越來(lái)越得到重視。近年來(lái)，對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的研究報(bào)道越來(lái)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(shí)別、降噪控制措施和噪聲傳遞路徑等三個(gè)主要方面開(kāi)展工作。

2.1 噪聲源

從噪聲源來(lái)看，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲可由不同的聲源或振源形成，通過(guò)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(dòng)力裝置渦輪螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起飛機(jī)壁板振動(dòng)而產(chǎn)生的[29]。螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必然會(huì)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(dòng)，氣流脈動(dòng)將會(huì)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(dòng)與聲疲勞[30]。此外，渦槳飛機(jī)巡航時(shí)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。

2.2 降噪控制措施

渦槳飛機(jī)艙內(nèi)降噪可分為被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪兩類，其中：被動(dòng)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(dòng)降噪方法的降噪效果有限；主動(dòng)降噪則是通過(guò)設(shè)置次級(jí)聲源或振源來(lái)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]。

2.3 噪聲傳遞路徑

外部噪聲源主要通過(guò)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(chǎng)以及空氣動(dòng)力壓力場(chǎng)兩部分是空氣傳聲主要來(lái)源，主要通過(guò)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?yàn)槁曉醋R(shí)別困難及噪聲傳遞路徑識(shí)別問(wèn)題，噪聲傳遞路徑識(shí)別問(wèn)題至今沒(méi)有很好解決。

2.4 艙內(nèi)噪聲研究現(xiàn)狀

艙內(nèi)噪聲研究報(bào)道明顯多于適航噪聲。從相關(guān)研究文獻(xiàn)和報(bào)道來(lái)看，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲研究?jī)?nèi)容主要涉及噪聲機(jī)理、噪聲預(yù)測(cè)、降噪措施等諸多方面，且噪聲機(jī)理及噪聲預(yù)測(cè)研究較為系統(tǒng)。王春輝[31]對(duì)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(duì)螺旋槳分級(jí)艙內(nèi)噪聲特點(diǎn)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(lái)源及產(chǎn)生的機(jī)理。研究表明，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲來(lái)源主要有發(fā)動(dòng)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(duì)于渦槳飛機(jī)而言，噪聲主要為外部噪聲(發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置噪聲和機(jī)體結(jié)構(gòu)氣動(dòng)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(guò)空氣傳到機(jī)身引起艙壁振動(dòng)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(dòng)，通過(guò)機(jī)體結(jié)構(gòu)傳輸，可引起的艙內(nèi)噪聲。空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲在艙內(nèi)相互耦合又會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，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(duì)艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)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(jì)能量法等[31]。

從艙內(nèi)噪聲控制研究來(lái)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(duì)于渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲而言，傳統(tǒng)的隔聲、吸聲方法對(duì)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(lái)源之一，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)體噪聲領(lǐng)域研究開(kāi)展的相對(duì)較晚[35]。

3 結(jié)論

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(duì)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(duì)艙內(nèi)噪聲沒(méi)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(cè)方法、噪聲傳遞的路徑識(shí)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(shì)為：

(1)新能源在渦槳飛機(jī)中的應(yīng)用。研究人員已開(kāi)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(guó)研究人員已進(jìn)行電動(dòng)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(jì)。近年來(lái)隨著聲學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)毒等要求前提下可在發(fā)動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，降低機(jī)載設(shè)備工作時(shí)的噪聲，有利于降低渦槳飛機(jī)的噪聲。