杨青青 郝晓帆 解 江 陈 琨 邹田春
(中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室,天津 300300)
航空器噪声环境影响评定方法发展趋势研究
杨青青 郝晓帆 解 江 陈 琨 邹田春
(中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室,天津 300300)
首先跟踪欧美航空器适航噪声规章修订的最新动态,概述了现行的适航噪声评定方法。其次,介绍并分析了国内外机场噪声的评定方法。最后,简述了近10年来,FAA的卓越中心,航空运输降噪减排的合作性组织(PARTNER)和航空可持续发展中心(ASCENT)开展的一系列的研究,涉及噪声表征和计量方法、噪声在机场附近建筑物的穿透特性、音爆和低频噪声诱发机场周边居民烦恼度、睡眠障碍以及噪声对人体健康的影响等相关主题。结合现有噪声规章的要求、机场运营的要求以及国内外航空器噪声研究的发展方向,可以预见航空器噪声对人的影响将是未来评价航空器噪声环境影响的重要组成部分,将对立法定标具有重要指导意义。
噪声;音爆;低频噪声;烦恼度;睡眠障碍;环境影响
随着我国航空运输业的快速发展,人们在享受航空运输带来的安全、舒适、快捷的交通方式的同时,却不同程度地承受着航空噪声所带来的危害。飞机噪声具有声压级高、影响范围广、短时持续发生的特点,研究表明,飞机噪声可损伤人的听力、干扰人的睡眠、诱发各种疾病[1]。尽管通过各种措施限定噪声值,但依然严重干扰到机场附近居民的生活,可见现存的航空器噪声评定方法有待改进。为了实现航空可持续发展的最终目的,需要对噪声进行有效的评定和控制,噪声评定问题已成为民航局、航空器研制单位、航空公司以及从事机场规划设计人员需要面对的重要课题。
2016年1月,FAA(美国联邦航空管理局)发布FAR36《航空器型号合格审定噪声规定》的规章制修订建议通告(NPRM),提出2017年之后将运输类飞机噪声限制提升到第5阶段。此外,FAA还发布通告,表示将通过调查和研究来决定现有的机场噪声的测量方法是否需要调整和改变。
本文对航空器噪声环境影响的评定进行了回顾、跟踪和分析,包括当下现行有效的适航噪声评定和机场噪声评定以及欧美目前正着力研究的人体主观噪声评价、声暴露对人体健康损害的评估。适航噪声评定方法,是航空器噪声合格审定中由适航规章规定的方法,是在型号合格审定阶段对航空器的噪声评定;机场噪声是在运营阶段对机队的噪声评定,重点关注噪声对周围社区居民的影响。适航噪声限制和机场噪声控制的最终目的都是将噪声水平限制在人们可接受范围之内。而人对噪声的主观评价和声暴露对人体伤害是制定航空器噪声评定标准的前提。
在20世纪60年代早期,随着喷气发动机投入商业运行,并且航空器数目的快速增长,航空器噪声开始引起人们的关注。航空器频繁运行产生的噪声引起了机场周边公众的强烈反应。因此机场建立局部噪声限值、宵禁、白天分时段规定噪声标准、征收噪声超标的附加费等局部噪声控制措施。但这些都不能从根本上解决问题,对作为机场主要噪声源的航空器噪声的控制和管理才是解决问题的根本,也是解决机场噪声问题的出发点。所以,最终的办法就是报废老旧高噪声飞机,并努力对新型号航空器的噪声进行控制。
20世纪60年代中期,受航空器噪声影响巨大的国家之间进行研究,最终提出噪声合格审定的概念。噪声合格审定是指航空器进入商业服务前,在满足安全标准的同时,还必须表明满足相应的噪声标准。1969年FAA颁布了航空器型号和适航合格审定噪声标准(14 CFR 36)。国际民航组织(ICAO)也在1971年颁布了《国际民用航空公约》附件16,规定了民用航空器的噪声要求。从1970年开始,噪声审定的要求越来越严格,应用范围也越来越广。现在所有的新民用航空器,都必须满足相应的噪声要求。
2016年1月14日,FAA在《联邦纪事》第81卷第9期上刊出了题为《第五阶段飞机噪声标准》的15-08号立法建议通告(NPRM),本次修订将会降低新飞机产生的噪音,并且使得在美国审定的飞机标准与ICAO于2014年6月14日生效的新的噪声标准(附件16,第14章)一致。本次修订主要是为亚音速喷气式飞机和亚音速运输类大飞机建立新的噪声标准。该噪声标准(第五阶段)适用于以下申请情况:型号审定申请于2017年11月31日之后提交,最大起飞重量为55 000公斤(121 254磅)以上的飞机;或2020年11月31日之后提交,最大起飞重量为55 000公斤(121 254磅)以下的飞机。
2001年10月,ICAO第33届会议通过了A33-7号决议,其中给出了“平衡方法(Balanc ed Approach)”过程基本组成部分的大纲,用于管理国际机场的航空器噪声。该平衡方法给出的降低噪声方式包括:噪声源降噪(例如,飞机的噪声源);机场周围增加土地使用计划;减噪飞行程序的使用以及运行限制。随着噪声源降噪技术的发展,ICAO引入了新的标准以鼓励其应用。在2014年3月,ICAO针对亚音速喷气式飞机和亚音速运输类大飞机发布了一个新的、更严格的噪声标准。2015年1月1日,这个新的标准在使用附件16第I卷作为飞机噪声适航规章的国家得到应用。美国作为ICAO的活跃会员,支持这个更严格的飞机噪声标准。随着这个标准的生效,很多ICAO成员国的飞机申请人不得不表明对于两个不同标准的符合性——14 CFR 36第四阶段和ICAO 附件16第14章,这样就增加了申请人的经济负担并且没有带来任何益处。但需要注意的是,美国对于处于第3阶段或第4阶段的飞机没有运行限制或减产的要求。新型号飞机申请第5阶段噪声标准不会影响现有飞机型号的生产或运行[2]。
参考ICAO附件16(第I卷)第3修正案和FAR 36第1至22修正案,我国于2002年3月20日正式颁布了CCAR 36《航空器型号合格审定噪声规定》。为保持我国适航标准与各国际适航标准同步,防止国外不符合现行国际标准的航空器进入我国而造成经济损失和环境污染,配合ICAO安全审计工作,促进我国国产飞机项目的研制和生产,我国于2007年4月16日对CCAR 36进行了修订,引入了第4阶段航空器噪声审定要求,此次修订主要参考国际民用航空公约附件16第4到第7修正案和FAR36第23到28修正案的内容。此次FAA对于NPRM的发布,以及未来修正案的发布将会对我国飞机走出国门提出更高的要求,需要局方和工业方共同努力,尽快提高我国飞机低噪声设计和型号合格审定的能力,以在未来的国际市场能占有一席之地。
与航空器噪声审定相关的适航条款、修正案、咨询通告、工业标准和技术手册等资料文件包括:ICAO附件16第I卷《航空器噪声》、美国的适航规章FAR36及相关修正案30个、FAA颁布的相关咨询通告,引用的相关工业标准SAE-ARP866A《大气温度和湿度功能的吸收标准值 》等。
噪声合格审定试验是航空器表明噪声符合性最直接的手段,航空器噪声合格审定试验就是在规定的测试点上,用符合规定的设备测量按照规定航迹飞行的航空器所发出的噪声值。噪声合格审定试验方法如图1所示。
适航噪声要求用有效感觉噪声级(EPNL)表征人们对飞机噪声总的主观反应情况,必须经过计算和修正得到。由于通常噪声合格审定试验都是在非基准条件进行的。在这些试验中,飞机可能处于不同的高度(在传声器上方的高度)或相对原定航迹有横向偏差。发动机的推力(功率)、大气条件和飞机的总重也很可能与基准条件不同。因此,所测量的噪声数据必须修正至基准条件,以确定是否符合噪声限制要求[3]。有效感觉噪声级数据修正流程如图2所示。
对于第3阶段的运输类大飞机和喷气式飞机,在噪声合格审定试验中获得的噪声数据经过已批准的修订程序修订至基准条件后,得到的EPNL值不能超过表1所列出的数值。飞机的3点噪声限制值是根据飞机的最大起飞重量来分段划分的,其中M的单位为1 000kg,为飞机最大起飞重量(kg)除以1 000所得,3个噪声测量点处的噪声在M划分的每段区间内的计算方法是不同的。例如,M在0到20.2之间时,边线、进场、起飞噪声限制值分别为94EPNdB、98EPNdB、89EPNdB。
表1 第3阶段运输类大飞机和喷气式飞机噪声限制值
对于第4阶段的运输类大飞机和喷气式飞机,是在第4阶段噪声限制值的基础上制定的。要求在每个测量点都不能超出相应的第3阶段噪声限制值,并且修正之后的噪声测量值与相应第3阶段限制值的差值总和不能小于10 EPNdB,任何两点差值之和不能小于2 EPNdB[4]。
对于即将实行的第5阶段噪声限制值,同样是在第3阶段噪声限制值的基础上制定的。不同的是噪声限定值随最大起飞质量(从8 618公斤至2 000公斤)的对数呈线性减少,进场噪声级减至93.1 EPNdB,横侧噪声级减至88.6 EPNdB,之后该值保持恒定。飞越噪声级对应的最大起飞质量每减少一半则噪声级减少4 EPNd B,直到最大起飞质量减至2 000公斤,之后该值保持恒定。要求在每个测量点都不能超出相应的第3阶段噪声限制值,并且修正之后的噪声测量值与相应第3阶段限制值的差值总和不能小于17 EPNdB,任何两点差值之和不能小于1 EPNdB[3]。噪声限制对比如图3所示。
从20世纪50年代后期开始,多个国家注意到飞机噪声对周围环境的影响将逐渐严重的事实,从而开始研究适合飞机噪声特点的评价方法,到60年代,各国根据本国情况提出适应自己国家需要的机场环境噪声评价方法。1969年11月,国际民航组织在蒙特利尔开会,对有关飞机噪声问题达成国际协议,协调成员国对飞机噪声暴露所使用的评价量,但并不限制各国结合自己实际情况所惯用的评价量和评价方法。2.1 国内评定方法
1988年,中国颁布GB 9660-1988《机场周围飞机噪声环境标准》,确定采用“计权等效连续感觉噪声级LWECPN(dB)”作为机场周围环境噪声的评价量。监测方法采用GB 9661-1988《机场周围飞机噪声测量方法》中的简易法。
根据国家标准的规定,每个监测点一般要进行一个周期航班即一周的监测。对于日平均起降达200架次以上的机场可以在各点进行一昼夜的监测,得出关键值平均LEPN。一昼夜的飞行架次可取监测期间一周内的航班总数,计算每天航班的平均飞行架次、跑道、各个方向进出机场的比例以及白天、傍晚和夜间飞行架次的比例,进行计算。
平均有效感觉噪声级LENP计算见公式(1):
计权等效连续感觉噪声级(Weighted Equivalent Continuous Perceived Noise Level,WECPNL)其数值由式(2)算出:
式中:
LEPN——一天内N次飞行的有效感觉噪声级的能量平均值,dB;
N1,N2,N3——白天、傍晚、夜间的飞行架次,通常取全年平均值。
在WECPNL值小于70d B的区域,居民基本没有抱怨;在值为70dB~80dB之间的区域,居民的社会活动将受到干扰(诸如干扰交谈、思考、睡眠等);在值为80dB~90dB之间的区域会引起人们的强烈抱怨。机场周围飞机噪声环境标准值如表2所示。
表2 机场周围飞机噪声环境标准值(GB 9660-1988)
1969年11月,国际民航组织在蒙特利尔开会,对有关飞机噪声问题达成国际协议,协调成员国对飞机噪声暴露所使用的评价量。世界各国由于存在政治、经济、地理和民族生活习惯等差异,世界各国用作机场环境噪声的评价模型和评价方法是各种各样的,但均考虑到声音强度、声音的持续时间、飞机的起降航线、飞机的数量和种类、跑道系统设施、季节时间、气候条件、昼间和夜间人们对飞机噪声不同的主观反应等作为机场航空噪声预测与评价的指标。世界主要航空大国其机场噪声评价指标见表3。
表3 世界主要航空大国其机场噪声评价指标
下面对瑞典的等效昼间干扰数(Equivalent Day Disturbance,EDD)进行介绍。
等效昼间干扰数的定义见公式(3):
式中:
Nd——每年昼间的(07:00—18:00)飞行次数
Ne——每年傍晚的(18:00—23:00)飞行次数
Nn——每年夜间的(23:00—07:00)飞行次数
邻近机场地区EDD最大容许值见表4。
表4 EDD值
单值评价量计算式见公式(4):
式中,N75、N80等都是在该评价点处相应于峰值声级为75dB(A)、80dB(A)等的EDD值,包括了飞机飞行时间的补偿。对峰值低于75dB(A)的飞行均未予考虑。最大容许N值为50 000。
声音的响度随时间变化,发现累计百分数响度是一种更好的描述感知响度的指标,跟烦恼度密切相关。在文献[5]中,对心理声学烦恼度模型做出了修正。通过对飞机噪声的仿真和主观烦恼度实验,更深层次的理解除了响度以外的其他声音特性(响度、清晰度、粗糙度、波动度、纯音等)怎样影响烦恼度,并讨论了更复杂的响度模型对烦恼度的量化是否有益处。仿真的步骤如图4所示。
心理声学实验发现,响度和纯音分别是造成烦恼度的第一和第二主导因素,当响度变化不大时,纯音和粗糙度的重要性凸显出来。本次研究中提出的修正心理声学烦恼度模型,包含了响度、纯音、粗糙度的影响。文献[6]研究的目的是量化历史噪声调查数据中声压级和事件数的相关性,并为调查仿真工具在未来调查的设计中提供支持。使用的模型是日夜平均A加权声压级(DNL)、声压级和事件数的函数。文献[7]中,飞机制造商认为制造一种低音爆的超音速商用喷气飞机是可行的,为了评估人们对低音爆的接受程度,进行新的人类主观实验。最近的研究中,发现锐度、持续时间和时变响度最大值构成的线性模型是预测主观响应的最好的简化模型。
国内飞机噪声烦恼度研究,不再仅仅基于噪声水平进行烦恼度限制,而是将机场周围居民的烦恼度等非声学因素纳入考虑范围。文献[8]中提出一种机场噪声烦恼度模型,综合考虑了声学(噪声水平)与非声学因素(噪声发生时间段和噪声影响区域类型)评估对机场噪声造成的影响。文献[9]提出一种模糊神经网络来代替原模型的模糊逻辑,使模型更加客观;采用一种混合学习方法代替原来基于梯度的繁杂算法,提高了模型的学习效率。文献[10]通过对制备飞越噪声仿真信号,研究发现烦恼度与飞机飞越噪声持久时间和累计百分数响度有显著的线性关系。但达到3s以上持久时间的飞越噪声会造成感觉适应现象,烦恼度随持久时间的增长会变得不明显。由评价量和高烦恼率的相关性比较结果可知,WECPNL和高烦恼率的相关性稍好于DNL,因此利用两者作飞机噪声评价量均可较好的描述飞机噪声的影响。
社区飞机噪音影响睡眠是其主要影响之一。航空器噪声增加入睡用时和觉醒的次数,并减少快速动眼期和慢波睡眠的时间。文献[11]中,开发了自动睡眠阶段分类算法,能够从睡眠中提取不同的数据,使得夜间每一秒的睡眠阶段分类得以确定。预测得到的睡眠结构非线性模型的变化,与其他研究人员在睡眠文献的报道和调查数据相似。为了比较睡眠模型预测结果,从美国机场获得飞行运营数据,使用修改后的马尔可夫模型、非线性动力学模型和飞机噪音觉醒模型针对不同的操作方案对社区内的睡眠障碍进行预测并评估模型预测的相似性和差异。
文献[12]讨论了噪声引起睡眠障碍的多种评估方法、噪声引起睡眠障碍短期结果评估、声学环境评估、生理学与声学数据同步、非声学外部因素评估、入选标准和样本大小要求、测量场地选择和相关成本研究设计。基于分析,推荐使用体动记录仪、单频道心电图、信号觉醒的体动事件标识、受试者问卷调查表进行研究,研究范围最小应该包含一个有大量夜间班次的机场以及没有噪声暴露的控制点。
噪声影响了人们的生存和社会属性。文献[13]结合工业和实验室研究表明噪声会引起瞬间血压升高,针对噪声对心血管的影响进行大量的研究。这个调研强调心血管危害和噪声引起血管方面的健康问题。着重对噪声诱导睡眠障碍和压力进行讨论,因两者都会导致心血管方面的危害,如图5所示。
由文献[14]、[15]得到,夜间飞机噪声对睡眠的干扰非常大,这其中包括被吵醒和对睡眠质量产生明显影响。可近似拟定室外A计权声暴露级=90dB作为夜间单个飞机噪声事件的限制标准,此时扰眠率达50%,唤醒率达20%(唤醒率=扰眠率×40%)。文献[16]的研究结果提示噪声可能通过刺激人体产生厌烦感引起应激反应,从而对心血管系统产生影响。研究中所指的心血管疾病危险因素包括:总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)、动脉粥样硬化指数(AI,即TC/HDL-C)、收缩压(SBP)、舒张压(DBP)、空腹血糖(FPG)。研究发现机场工作环境噪声接触水平与AI和SBP呈显著正相关,并且噪声和个体对噪声的烦恼度,对SBP、HDL-C和FPG的影响存在交互作用,而AI升高是预测冠心病发病危险性的良好指标。
文献[17]调查研究了人对航空噪声低频部分(低频噪声)的响应,包含了现场测量和实验研究。主要的发现有以下5个方面。
综合噪声模型INM(Integrated Noise Model)工具用向前的推力噪声工具去进行反推力噪声的建模。反推力噪声的等级和指向性应该进行更深入的研究,以确定噪声模型的更改是否正确。
Hubbard外部声级标准很好的适用于对由于低频噪声产生的振动和rattle的一级评估。
飞机起飞和降落产生高能低频噪声。低频噪声的副产品是对建筑结构的刺激而产生的振动。这种声学诱发的结构振动可能是极细微的,但是会造成rattle。rattle是通过间断性的接触产生的,是二次噪声散射,感知为烦恼度。当低频噪声级或是rattle很低时,A声级和C声级度量,与实验室基于室内航空噪声的主观反应有很好的关联。多个低频噪声级事件可能会造成rattle(同时多跑道运作)。
当高水平的低频噪声(high levels of LFN)存在时,C计权声压级的Tokita & Nakamura 阈值应该被用作低频噪声烦恼度的可能性指标。低频噪声度量没有C声级性能好。低于50dB的数据需要评估振动和rattle烦恼度。
预加载窗户rattle的风险降低,避免了设计上的共振响应。室外室内穿透等级比更常应用于窗户穿透损失评定的声穿透等级更容易应用。
为了减少rattle和相关噪声的产生,文献[18]对其产生机制和消减策略的发展进行调研,能够产生rattle的理想系统分析模型在调研中得以发展。基于分析模型,各样家庭组件简单模型的rattle起始阈值确定下来。分析模型是针对在家庭里发现的元件的集总参数和单自由度模型。发展建立了包括谐波运动和强迫激励的多种激励源对应的rattle标准。这些标准包括rattle阈值和带宽,是振动系统的特性。
环境中噪声特别是低频噪声对人的心理和生理影响近年来成为环境噪声领域研究的热点。文献[19]对噪声暴露下人体主观烦恼的声学模拟、声调控及其与人体脑电变化规律关系开展了研究。记录并分析了噪声暴露前后受试者脑电变化情况,同时,结合对声样本的主观评价实验,探索了噪声暴露下人体脑电变化与噪声特性、噪声主观烦恼度之间的关系。
许多机场管理局已经开始在社区噪声等效水平在65校准分贝以下的社区实施隔音方案。这种方法的有效性是通过密封建筑物的围护结构来保证的。然而,这些传统的降低噪声的方法也会有副作用:由于渗透作用的减少,污染物的浓度和湿度进而增加,降低室内空气的质量。因为在一个住宅的建造中窗户通常被认为是隔音计划中最薄弱的环节,因此需要研究窗户的环境性能。
文献[20]关注噪声穿透住宅窗户的问题,分别对单层窗户、噪声穿过窗户的减弱程度和双层窗户进行研究。通过数值和实验研究检验减少噪声穿透的方法,发现气动载荷和弹性支撑对于计算通过窗户的声传播很重要,特别是当频率低于125Hz时。加强结构增加了传播损失,而弹性结构减少了损失,非共振频率的声传播不依赖于安装刚度,共振玻璃面板在共振区会造成较小的传播损失。另外,针对双层窗户的有效的数值方案为以后评估双气流窗户的声学特性提供了支持,特别指出在共振区双层窗户质量-空气-质量的共振能够减少声传播。
文献[21]评估了减弱低频噪声窗户的设计制造方法,比如双层或是3层窗户。研究发现窗户的弯曲和质量-空气-质量共振响应是减少低频噪声传输损失最可能的原因。弯曲共振响应可由阻尼控制,增加窗户玻璃板的阻尼可以减小响应。质量-空气-质量共振主要由单个玻璃板的质量和玻璃板之间的距离确定。
文献[22]建立了单、双层玻璃窗隔声模型,采用统计能量法对其隔声量进行分析,并与实测值进行对比。不同厚度的空气夹层下的隔声量仿真值随频率的变化趋势一致;在一定频率范围内,空气层的厚度越大,隔声效果越明显。在12 Hz~4 000Hz频率范围内,单、双层玻璃窗模型的预报隔声量与实测数据的误差分别在3dB和7dB以内(临界频率除外),边框有吸声处理的双层玻璃窗较单层玻璃窗的平均隔声量高13dB左右;在500 Hz~4 000Hz范围内,空气层的厚度每增加50mm,双层玻璃的隔声量相应提高1dB。
通过梳理国内外航空器适航噪声、机场噪声评定方法并综述航空器噪声对人体影响的相关研究,得出以下结论。
ICAO于2014年6月14日制定了第5阶段噪声标准(附件16,第14章),FAA于2016年1月14日,发布了15-08号规章制修订建议通告(NPRM),使得在美国审定的飞机标准与ICAO一致。我国噪声适航规章的修订势在必行,将会对国内航空器减噪技术、机场运营管理提出更大的挑战。
世界各国用作机场环境噪声的评价模型和评价方法不尽相同,但均考虑到声音强度,声音的持续时间,飞机的起降航线,飞机的数量和种类,跑道系统设施,季节时间,气候条件、昼间和夜间人们对飞机噪声不同的主观反应等作为机场航空噪声预测与评价的指标。随着航空器噪声环境影响的相关研究不断深入,指标能够更好地评定航空器噪声。
航空器噪声对环境影响的相关研究主要涉及4个方面。航空器噪声,特别是低频噪声,诱导烦恼度、睡眠障碍与人体疾病的相关研究的最终目标是构建可以和声音预测模型相配合的模型并以此来预测相关指标针对未来机场的发展或空中交通模式的转变如何变化。另外声传播研究得到建筑物窗户的隔声特性,可以在一定程度上减弱对人体的伤害。可以预见航空器噪声对人的影响将是未来评价航空噪声环境影响的重要组成部分,将对航空器适航噪声和机场噪声立法定标具有重要指导意义。
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In this paper, the current airworthiness noise evaluation method is summarized and latest NPRM about amendment of aircraft noise airworthiness regulations is reviewed. Airport noise evaluation method is introduced and analyzed. A series of research , over the past 10 years , conducted by FAA’s centers of excellence-ASCENT and PARTNER is reviewed , involving characterization and measurement of noise, noise penetrating properties in buildings near the airport, sonic boom and low-frequency noise, which induce annoyance and sleep disturbance as well as the impact of noise on human health, and other related topics. Considering the requirements of existing noise airworthiness regulations and airport operations and the studies of aircraft noise development, it is predicted that the infl uence of aircraft noise on people will be an important part in evaluating its environmental impact and do provide important guidance for rule-making.
noise; sonic boom; low-frequency noise; annoyance; sleep disturbance; environmental impact
TB53
A
1000-6660(2017)03-0025-08
10.13237/j.cnki.asq.2017.03.007
[收修订稿日期] 2017-02-24
(编辑:雨晴)