直升机振动与噪声综合评估方法研究

张　冀， 李　书， 贺天鹏， 简成文

(1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京　100191； 2. 中国人民解放军61769部队，山西　吕梁　 032100)



直升机振动与噪声综合评估方法研究

张冀1, 2， 李书1， 贺天鹏1， 简成文1

(1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京100191； 2. 中国人民解放军61769部队，山西吕梁 032100)

摘要：为了能够对直升机振动与噪声进行综合性的研究，系统地建立了一种以飞行员、机上设备和环境为基础的综合评估模型，并对振动与噪声的主要影响进行分析，构建了一个三层的指标体系结构；在研究各种综合评估方法的基础上，选择层次分析法(Analytic Hierarchy Process)与模糊综合评估法(Fuzzy Comprehensive Evaluation)对构建的模型进行评估；同时应用MATLAB开发平台对提出的方法进行仿真；最后选择样例直升机进行案例分析，对提出的方法进行验证。仿真结果表明，该方法能够从定性与定量的角度综合描述直升机振动与噪声对飞行员、机上设备和环境的影响，为直升机振动与噪声的评估提供了一种新的途径，可以在直升机的研制、试验和使用等阶段进行应用和推广。

关键词：直升机；振动；噪声；综合评估；评估方法；模型

自第一架直升机研制成功以来，直升机在技术方面的发展主要经历了四个阶段[1]，每个阶段都伴随着性能的明显提升和技术的快速进步，例如在发动机性能、机身材料、振动与噪声水平的控制等方面，其中振动和噪声一直是直升机研制中的重要环节，长期被国内外学者和研究人员所重视。

直升机的振动与噪声主要来自于[2]旋翼、尾桨、发动机和传动系统，与固定翼飞机相比，直升机的振动与噪声所造成的环境更为恶劣、带来的影响更为突出。由此所引发的振动与噪声的环境问题，一直被国内外的专家和飞行员所高度关注[3]。过高的振动与噪声水平，会对直升机的安全性、可靠性、飞行品质以及与效能和性能相关的指标产生不同程度的影响。因此，对直升机的振动与噪声环境进行研究和综合评估就显得十分的重要和必要。

刘大伟等[4-5]研究了直升机的性能与效能的指标体系构建与综合性评估，评估对象为直升机的综合性能与总体方案，对直升机振动与噪声的影响因素考虑较少；蒋欣桐[2]将直升机振动与噪声的影响因素进行了分类与描述，并对每个因素进行了研究，但没有开展相关的评估工作；王放等[6-8]分别对直升机的振动、噪声进行了研究，从噪声级与振动强度的角度进行了分析和预估工作；Brentner等[9-10]针对直升机飞行员在振动与噪声环境中的感受等做了相应的研究工作。目前，国内外学者在直升机振动与噪声的综合评估方面所做的工作还很少。

针对上述问题，笔者根据直升机发展趋势以及对振动和噪声的要求，以飞行员、机上设备和环境为基础，对直升机在飞行中由振动和噪声所带来的影响进行分析和研究，并将各类重要因素以层次结构的形式展示出来，使读者可以清楚地了解振动与噪声所带来的主要影响[11-12]；在层次结构的最底层，将以直11型直升机为样例机型，邀请专家对底层的指标做出评价，再对直升机振动与噪声的影响做出定性与定量相结合的综合评估[13]，并将全部的评估过程与模型进行仿真。

1直升机振动与噪声的影响分析

1.1直升机振动与噪声对飞行员的影响

直升机振动与噪声对飞行员的影响，可以从生理、心理和物理的角度进行分析。

1.1.1生理影响

直升机的振动与噪声环境所造成的生理影响明显高于固定翼飞机，它会引起人脑中枢机能的下降，会产生身体不适等症状，长期暴露在振动与噪声环境中的飞行员，普遍存在颈椎、脊柱、腰椎和听力等疾病。

对于直升机产生的振动环境而言，飞行员在驾驶过程中会产生麻感、困倦等反应，从而造成工作效率降低、工作熟练程度下降，给飞行训练及作战等任务带来安全隐患；当振动到达一定动强度之后，将会引发晕动病，出现上腹不适，继有恶心、面色苍白、出冷汗，随即有眩晕、唾液分泌增多甚至呕吐等症状，以至丧失行为能力。

在噪声环境中，最直接的影响就是引起听觉疲劳、听力损失及噪声性耳聋甚至完全失听。同时，噪声环境还会间接地产生其它的生理影响，如引起头疼、耳鸣、多梦、失眠、心跳加速、记忆力衰退等症状，而且还有可能造成对心血管的损害。

1.1.2心理影响

心理健康对于飞行员情绪以及飞行安全有着重要的意义。长期处在振动和噪声环境中的飞行员，最直接的心理影响就是驾驶“不舒适”以及其他各种问题，如紧张、神经衰弱、焦虑、抑郁、烦躁和恐慌等，这些症状不仅在飞行中会给飞行员带来不良的影响，同时也会对飞行员的日常生活造成种种不便，必须引起足够的重视。

1.1.3物理影响

由于受到振动与噪声的影响，飞行员的视觉、听觉和触觉等会出现一系列的问题甚至“错觉”，例如对距离的判断，对声音、指令的获取、理解，对仪表等机载设备显示数值的读取，对飞行环境、气象条件的分析，对操纵杆等驾驶机构力度的掌握，对敌我人员或装备的判断识别以及对任务执行的可靠度等。

1.2直升机振动与噪声对机上设备的影响

现有的直升机设备均已采用有效的隔振措施，但仍不可避免地直接受到振动的影响与噪声的激励。在高强度的振动和噪声作用下，大面积质量比的结构会产生疲劳破坏，仪表设备会发生工作失灵、性能故障或错误动作。另外还可能导致：微型电子元件导线故障，导线的磨损，电路板的破裂，波导管、速调管失灵或损坏，电子元件的振动。

振动与噪声对设备的影响主要分三种：影响结构的完整性，例如结构件的疲劳、断裂与机械磨损等；影响设备的功能，例如工作不正常、性能降低或超出容差范围等；工艺上的影响，例如连接件振动、分离，元件间相互摩擦、撞击及短路、开路等。此外，受到振动和噪声影响的设备还会给飞行带来安全隐患。

1.3直升机噪声对环境的影响

直升机的超低空飞行能力与机动性能，一直被视为是其实施突袭、突防等任务的重要条件。然而在飞行过程中，直升机发动机与旋翼等主要声源所产生的高强度噪声，使自己过早地被对方发现，大大降低了自身的声隐身性能，削弱了突然性；而且由于直升机的速度远小于固定翼飞机，所以对其声隐身的要求也就更高。对于直升机而言，降低噪声强度，最有效、最直接的办法就是采用低噪声发动机、改进直升机旋翼等手段，以此来提高直升机的声隐身性能。

直升机噪声不但对自身的声隐身能力造成影响，同时，在平时的飞行、训练或者执行任务过程中，也会对直升机飞行区域和附近居民的生活、工作等环境带来噪声污染，而且随着直升机民用化程度的提高，在飞行过程中不但要求直升机尽量远离人们的生活、工作区，也对直升机飞行中噪声的控制提出了较高的要求。

2直升机振动与噪声的综合评估

直升机振动与噪声的综合评估是基于振动与噪声评估指标体系而建立起来的一系列评价要素与评估方法的组合。

2.1综合评估指标体系的构建

指标体系的构建需要遵循一定的系统工程原则，并且要求能够全面、合理地反应评估对象的主要特征。指标的数目越少，就越有代表性，进行分析和研究也就更容易；指标数目越多，就会越详细、越全面，在进行评价的过程中就能更细致地反应评估对象的各个层面。但同时又要避免指标体系过于简单或过于复杂，要做到即能客观反映评估对象本质，又能保证评估工作的可行性。

基于前文对直升机振动与噪声影响的分析，将评估指标体系做如下分解，即振动与噪声对飞行员、机上设备和环境的影响，具体指标体系结构如图1所示。

图1　直升机振动与噪声综合评估指标体系Fig.1 Comprehensive assessment index system of helicopter vibration and noise

2.2综合评估方法的选择

合理有效的综合评估方法是进行评估的重要基础，分析所构建的直升机振动与噪声评估指标体系的特点，该指标体系具有明显的层次性，有些指标只能定性的判断，并且部分指标存在着模糊性，所以在对直升机振动与噪声进行综合评估时选择将层次分析法和模糊综合评估法相结合进行评估，即先使用层次分析法对指标体系进行权重求解，再用模糊综合评估方法进行综合评估。

(1) 层次分析法(以下简称AHP法)计算权重的步骤：

步骤1根据建立的指标体系层次模型构造判断矩阵，选择常用的1～9标度，其标度与含义如表1所示。

表1　判断矩阵标度及其含义

步骤2参照所选择的标度，对属于同一个上层指标的同层次指标进行两两比较，构造判断矩阵A，形如式(1)所示，aij表示第i个指标相对于第j个指标的重要程度。

(1)

步骤3求解判断矩阵A的特征向量W：

(2)

W即为指标权重。

(2) 模糊综合评估方法的评估步骤

步骤1定义评语集

评语集是一个评语的集合，以向量的形式来表示，例如将某个评价对象或者评价指标的评价结果定义为三个等级：优、良、差，这三个等级构成的评语集为V={优; 良; 差}。

步骤2对最底层指标进行评价，建立评价集矩阵

评价集是评价者对指标体系评价因素做出的各种评价结果的集合。在定义评语集之后，邀请一定数量的专家对指标体系最底层的指标进行评价，例如某个最底层指标ui，以之前定义的评语集V为依据，共有m个专家参与评价，其中a个专家的评价结果为“优”，b个专家的评价结果为“良”，c个专家的评价结果为“差”，那么对指标ui的评价集为R(ui)=[a/m,b/m,c/m]。由此可以得到所有最底层指标评价集的集合，记为矩阵R，如式(3)所示：

(3)

矩阵中，rnv表示对于第n个最底层指标，专家给出第v评价等级的专家数与总专家人数之比。

步骤3由式(2)和(3)进行模糊计算

B=WT° R

(4)其中:° 为模糊算子，在本文中，模糊算子采用M(·,⊕)。B为上一级指标的评价集，由此可以求得每层指标的评价集，之后根据之前定义的评语集即评语集矩阵V和公式(5)，就能够得到每个指标的评价结果。

C=B° V

(5)

2.3构造判断矩阵与评价最底层指标的方案

构造判断矩阵，需要将指标体系发给评价专家，专家根据综合评估对象的类型、评估目的以及自身的认识和经验，对指标体系中指标的重要程度进行对比，并按照指标体系的结构，构造出相应的判断矩阵。

根据前文介绍的模糊综合评估方法，将评语集建为5个等级，即V={优; 良; 一般; 差; 很差}，并进行临界值的设定：“优”表示100～85分，“良”表示85～70分，“一般”表示70～55分，“差”表示55～40分，“很差”表示40分下，根据设定的临界值，评语集也可记为V={100; 85; 70; 55; 40}，以方便专家进行评价，并用于评估结果的计算。

对于最底层指标的评价，定义好评语集，然后邀请若干名评估专家，将指标体系与评价最底层指标所需要的相关标准文件(如《军用直升机振动强度规范》、《军用直升机振动特性要求》、《飞机内的噪声级》等)或与评估对象进行对比的数据等发给参评专家，专家根据相关的文件和掌握的数据，并结合自身经验，对评估对象最底层的指标进行评价：将该指标的“性能”与相关标准文件或现有其它对象的数据进行对比，按照定义好的评语集进行等级评判，之后，将所有专家的评价结果进行汇总，就得到了最底层各个指标所对应的评价集，即完成了对底层指标的评价。

图2为构造判断矩阵和评价最底层指标的方案。

图2　构造判断矩阵与评价最底层指标的方案Fig.2 The program of constructing judgment matrix and assuming the lowest index

2.4建立综合评估模型

将构建的指标体系与综合评估方法相结合，得到直升机振动与噪声综合评估模型如图3所示。

图3　直升机振动与噪声综合评估模型Fig.3 The comprehensive assessment model of helicopter vibration and noise

3模型仿真与验证

3.1模型仿真

在模型的仿真过程中，采用MATLAB软件对提出的综合评估方法进行仿真。

从软件工程角度来描述，仿真过程主要分为以下几个方面：系统的功能与需求设计、系统编程与算法实现、测试及调试等。仿真的关键在于评估过程中矩阵的计算和评估结果的可视化。

3.2模型验证

本文选择直11机型为样例直升机，对提出的综合评估方法进行验证。在进行综合评估前，将按照评估方案，邀请专家，构造各层指标的判断矩阵(计算权重)，并对直11最底层指标进行评价。

3.2.1判断矩阵

专家对直11的振动与噪声评估指标体系所构建的判断矩阵以及所对应权重如表2～表5所示。

表2　振动与噪声指标的判断矩阵与权重

表3　飞行员指标的判断矩阵与权重

表4　机上设备指标的判断矩阵与权重

表5　环境指标的判断矩阵与权重

3.2.2最底层指标评价集

最底层指标评价集是进行评估的重要基础，为了使得到的评价集具有更高的可信度，文中邀请了10位领域内的专家，专家将根据自身的经验以及掌握的数据对最底层指标做出评价，评价结果如表6所示。

表6　最底层指标的评价结果

由表6的评价结果，可得到专家对最底层指标评价的评价集如表7所示。

表7　最底层指标的评价集

3.2.3仿真结果与分析

将判断矩阵、权重和最底层指标评价集带入模型进行运算，所得仿真结果如图4～8所示。

图4 飞行员指标评估结果Fig.4Theassessmentresultofpilotindex图5 机上设备指标评估结果Fig.5Theassessmentresultofhelicopterequipmentindex图6 飞行环境指标评估结果Fig.6Theassessmentresultofflightenvironmentindex图7 振动与噪声指标评估结果Fig.7Theassessmentresultofvibrationandnoiseindex

在可视化的评估结果中，横坐标为评估指标的名称，纵坐标为评估指标的得分，满分100分，以图8为例，可见直11振动与噪声的综合评估得分为74.8分，在85～70分之间，根据之前所定义的评语集V={优; 良; 一般; 差; 很差}以及V={100; 85; 70; 55; 40}，可得出直11的评估结果属于评语集中“良”的档次。

图8　直11型直升机评估结果Fig.8 The assessment result of Z11

根据输出的可视化评估结果，我们能够直观地看到每层指标及每个指标的评估分数，同时根据评估之前所定义的评语集，可以定性地得到每层指标与每个指标所属的评价等级。文中提出的方法与ADS-27和ISO2631等标准相比，可以直接以人的主观为主要的评价依据，对振动和噪声相关指标做出更符合主观感受的评估。

评估结果表明，文中提出的直升机振动与噪声综合评估方法具有一定的合理性和可信性，可以应用到其它机型振动与噪声的综合评估工作中，同时可与现有的测量与评估结果进行对比。

4结论

本文系统地分析了直升机振动与噪声对飞行员、机上设备和环境所带来的主要影响，建立了相应的指标体系结构，通过对现有评估方法的研究与分析，选择了适合于直升机振动与噪声评估指标体系的综合评估方法，构建起了综合评估模型，并进行了仿真，从而实现了评估的自动化与可视化，相对系统地提出了一套适用于直升机振动与噪声的评估流程，建立了一种新的综合评估方法。同时，该方法可以将不同型号直升机振动与噪声对飞行员、机上设备和环境所带来的影响进行对比，而且，在直升机民用化程度快速提高的今天，该方法适合于不同的直升机用户群，能够让用户对直升机的指标性能与综合性能有更好的理解，用户可以根据自己的要求对直升机进行选择，也可以根据自己的需要对直升机的设计与制造等阶段提出要求，有利于直升机民用化的宣传与推广，具有较强的工程与实践意义。

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基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2012AA112201)

收稿日期：2014-11-04修改稿收到日期：2015-02-12

通信作者李书 男，教授，1965年1月生

中图分类号:V214.3+1；V214.3+3；X-6

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.024

Comprehensive assessment methods for helicopter vibration and noise

ZHANG Ji1,2, LI Shu1, HE Tian-peng1, JIAN Cheng-wen1

(1. School of Aeronautic Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing 100190, China;2. PLA Unit., 61769, Lüliang 032100, China)

Abstract:In order to do a comprehensive study on vibration and noise of helicopters, a model of comprehensive assessment based on pilot, machine equipment and environment was built here to analyze the main influence factors on helicopter vibration and noise and constructs a three-layer index system structure was contructed. The model constructed was assessed with the analytic hierarchy process method and the fuzzy comprehensive evaluation method after studying various comprehensive evaluation methods. At the same time, the simulation for the new methods was done with MATLAB development platform. At last, some examples of helicopters were chosen to do case study with the proposed method. The simulation results showed that the method proposed can describe the effects of helicopter vibration and noise on pilot, equipment and environment qualitatively and quantitatively. The results provided a new way for the assessment of helicopter vibration and noise, this method could be applied and extended in development, testing and use of helicopters.

Key words:helicopter; vibration; noise; comprehensive assessment; assessment methods; model

第一作者 张冀 男，博士生，1984年7月生