累积飞行事件噪声模型的建立和分析

闫国华，王 迪，魏晓飞，王 彪

（中国民航大学，天津 300300）

累积事件噪声计算是基于单事件噪声基础上衍生得到的，它将考虑更多与实际相关的因素，所以研究累积事件噪声更具有实际意义。关于描述在一个观察位置针对飞机的一次活动的事件噪声级计算已有很多研究。而该位置总的噪声暴露级是通过将所有噪声显著的飞机活动，即影响到累积声级的所有进港或者出港活动的事件声级进行累积来计算[1]。全面的航空器噪声和性能数据库（ANP）为本文的建模提供了支持，该数据库由航空制造业联合噪声鉴定当局经历多年建立起来，ANP为本文中所建议方法的主要数据源。下面给出计算累积事件噪声的模型。

1 计权参数模型

1.1 计权等效声级

时间计权等效声级考虑所接收到的所有显著飞机声能，用如下公式进行表达

在噪声指数所涉时间间隔T0内，将所有N项噪声事件进行迭加。t0为积分声级的基准时间，LE,i为第i个噪声事件的单事件声暴露级，gi为时刻因变计权因子(通常将一天分为白天、晚上和夜间)。实际上，gi为规定时间段飞行次数的一个乘数。常数C可有不同的意义(标准化常数、季节性调整等)。

使用关系式g i=10Δi/10，式中，Δi为第i个时段的计权分贝数，公式1-1a可改写为

即，时刻计权由附加的声级予以表达。

1.2 平均最大声级

一些噪声指数是基于事件的最大噪声级，而非基于时间积分指标。其中一个例子就是最大声级的均值

通常应用于等效声级较低、但最高声级较高的情形(如，喷气式飞机运行数量相对较少的机场)。一些指数通过如下关系式对和事件数N同时进行考虑

式中，常数K规定给予事件数量的相对权重。

1.3 特殊参数

一个特殊指标为“超阈数量”，即NAT。NATX为其最大声级达到或超过一限定值X(dB)的噪声事件的数量。可为一天的特定时段规定NAT标准(如，NATNight,70)。

1.4 计权飞行次数

累积噪声级的估算，通过将某机场不同飞行航线的各类飞机所发出的噪声加和进行计算。为了描述上述过程，引入下标

i表示机型或者类型；

j表示飞行航迹或子航迹(如果规定了子航迹)；

k表示飞行航迹段。

许多噪声指数在其定义中包括时段计权因子g i。对于最大声级的均值(公式1.2)，权重因子g i通常为1或0，取决于度量指标是包括一天的具体时段还是包括整个24 h。加和过程可通过引入“计权运行次数”予以简化

式中Nij值代表i型别/类型的飞机分别于白天、晚上、夜间在航迹(或子航迹)j上的飞行次数。对于公式1-1b，观察点(x，y)处的累积等效声级Leq,w为

式中，T0为基准时间段，其取值见表1，LE,ijk为来自i类型飞机j航迹或者子航迹的k分段的单次事件噪声级。

表中LAeq24为24 h平均声级；LAeq,day为16 h日间平均声级；LAeq,night为8 h夜间平均声级；LDN为白天―夜间平均声级；LDEN为白天―晚上―夜间平均声级。

表1 不同形式的等效声级L eq,w的参数Tab.1 Equivalent sound level parmeters of the different forms

2 最大声级估算模型

2.1 最大声级的计算

计算累积等效声级是对所有噪声显著的飞机活动所产生的事件声级LE直接进行求和。而累积最大声级度量指标的计算，则并非如此简单。按照规定，最大声级与单次噪声事件相关。但是，一次飞机活动能在某一给定观察位置产生一个以上的噪声事件(当其飞行航迹导致所接收声音强度出现多次上升和下降时)。另外，对于一般所谓“最大声级”这一通用表述，下列不同的定义为其赋予了不同的含义

a)公式1-2规定的，观察位置发生的所有噪声事件其最大声级的均值；

b)公式1-2规定的，观察位置处超出一指定临阈声级LT的所有噪声事件的最大声级均值；

c)绝对最大声级(即“最大声级”的最高值)。在此情形下，声音仅仅来源于噪声事件。

这表明，不同的度量指标对最大声级进行求和方式也不同。

如果没有阈值，观察点(x,y)处发生的最大平均声级可表示为

式中

式中函数u(k)决定分段的最大声级Lmax,ijk是否为噪声事件的最大声级。

如果阈值为L T， 最大平均声级可表示为

式中

这保证求和过程中仅包括最大声级达到或者超过阈值LT的噪声事件。

如果只需计算观察点发生的所有噪声事件中最大声级的最高值，则相应的公式非常简单

对超出阈值标准的事件数量予以估算的公式，类似于最大声级均值的求取公式。但是，必须对计权的运行次数而不是声级进行求和

2.2 将声级分布用于最大声级度量指标

单事件噪声级的计算可针对同一航迹上同种型别飞机的所有活动得出相同的最大声级[2]。这会导致和NAT等值线出现不切实际的不连续。实际上，不存在突然的变化；计算出的只是分散在中心值L0周围的事件声级的平均估算值。这种分散可由高斯分布函数切合实际地进行描述，分布函数的标准偏差为S

图1 表示了这种类型的声级分布。必须注意，分布函数的中央值L 0通常不等于存储于NPD数据库中的Lˉ值，因为Lˉ通常是通过求分贝的均值从测量中获取的。Lˉ高于此分布的中央值，高出部分取决于标准偏差

图1 声级分布Fig 1.Sound level distribution

从实际测量操作中观察到典型标准偏差S的特征值大概为2 dB[3]。这导致对数均值和算术均值之间出现0.5 dB的差值。出于同样原因，在估算NAT值时也应考虑声级的分布特点。原因可从图1中清楚地看出：在此情形下，L0和Lˉ均小于阈值LT。如果不考虑分布，对NAT的影响会等于零。但是，对于此种分布的声级，其中一些高于阈值，因而会影响到总的NAT。为了考虑该分布的特点，必须对公式1-9进行修改，将离散求和改为对函数v(k)进行连续分布函数积分

应注意，如在ANP数据库中最大值通过对数平均从所测数据库中估算出来，则算术平均数L0,k必须根据公式1-11求取。

3 模型的验证

为了验证累积事件的噪声模型的可行性，采用B737-300起飞离场过程数据，以及Delphi 7.0软件编程实现航迹的绘制和各参数的计算[4]。计算中采用的基本条件为：逆风风速为8 kt、跑道位于海平面高度、跑道无坡度、空气温度为59 F°（15 C°）。

表2 B737-300起飞时的参数表Tab.2 Parameter table when the B737-300 takeoff

关于噪声参数的计算，首先要对飞机起飞剖面航迹进行计算。航迹的计算过程在单事件的噪声过程中均有说明。分别在基本条件下的航迹图及输入坐标点（X=6 000，Y=900，Z=800）时计算出计权等效声级（Leq,W）和最大级的平均值（），其中Leq,W=95 dB=98 dB。

4 结语

国际标准化组织ISO、国际民航组织ICAO都推荐了飞机噪声的评价方法，一些国家也提出了各自的评价方法。尽管国际上用于机场噪声暴露的模型很多，但各个模型都有相似之处，综合了类似的影响基元，其中各个模型的基本差异在于：单个噪声事件声级度量单位选择的不同；对许多噪声事件作用累加规则选择的不同；规范化常数选择的不同。

本文通过对两个参数模型的描述和比较最终计算出特定坐标点下的计权等效声级和最大平均声级，并编程实现了模型的验证，从中可以清楚看出各模型的计算步骤，为我国制定相关的累积事件标准提供了理论研究基础，并为仿真计算提供了算法和模型参考。

[1]中国科学院声学研究所，GB9660-1988，机场周围飞机噪声环境标准[S].北京：国家环保总局，1988.

[2]唐狄毅，李文兰，乔渭阳.飞机噪声基础[M].西安：西北工业大学出版社，1995.

[3]ICAO,ANNEX 16 VOLUME I,International standards and recommended practices，aircraft noise[S].Montreal,1993.

[4]ECAC.CEAC Doc 29 3rd Edition,Report on standard method of computing noise contours around civil airports,volume1:applications.guide[S].ECAC.CEAC,2005.

[5]FAA,FAR 36,Noise standards:aircraft type and airworthiness certification[S].1990.

[6]杨 宇，张 莉.新概念Delphi 7教程[M].长春：吉林电子出版社，2008，1-316.