高原机场飞机噪声监测与计算结果比较分析

尤 洋，冯亚玲，李 曼，田志仁，敬 红，张 鹏，李文攀，王 凡，夏 青

1.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.中国科学院声学研究所，北京 100190

中国机场按航空业务能力可划分为枢纽机场、干线机场、支线机场3种类型[1]。此外,从地理上讲，还有一种特殊的类型——高原机场。飞机噪声监测需要在测量条件为无雨、无雪，地面以上10 m风速不大于5 m/s，相对湿度不超过90%、不小于30%的环境下进行[2-3]。高原机场海拔高、气候变化无常、恶劣的自然环境，不能保证飞机噪声现场监测工作的正常开展,影响验收监测的时效性,无法及时满足环境管理的需求。

以飞机的噪声-功率-距离(N-P-D)特性曲线为基础的综合噪声模型(INM)软件对飞机噪声预测，具有较高的预测准确率,已成功大量应用于中国民航飞机噪声影响评价[4-7]。但由于在飞机噪声影响预测阶段输入该软件的是机场飞行计划(设计)参数，往往与机场运行后实际参数存在偏差。

同样应用INM，在机场实际运行后输入实际运行参数，其计算值更加接近实测值。田瑞丽等[6]对平原飞机噪声实际监测值与输入实际参数模型软件计算值差值进行比较分析，误差在3 dB以内。该研究在高原地区机场还未见开展。通过对高原机场——青海玉树机场运行后的飞机噪声应用模型软件输入实际运行参数进行计算，其结果与现场监测的结果比较后发现，INM输入实际运行参数进行飞机噪声计算，可以弥补高原地区飞机噪声现场监测工作的不足，及时对高原机场飞机噪声影响进行评估，为高原机场飞机噪声管理提供可靠的技术支撑，更好地满足环境管理的需求。

1 高原机场的定义

地理上海拔高度超过1 000 m的地方是高原。中国民航总局对高原机场的定义：机场标高1 500(含)～2 438 m的机场为一般高原机场，2 438 m(含)以上的机场为高高原机场[8]。中国是世界上拥有高高原机场数量最多的国家，2015年共有15个海拔在2 438 m以上的高高原机场。

2 高原机场的主要特点

2.1 航空业务量小,飞行周期较稳定

由于高原机场所在地大部分经济相对欠发达，航空业务量小，呈现季节性特征，年飞机起降架次在1万架次以下[9]。统计通过国家竣工环保验收的机场，实际运行期间飞机日均起降不到10个架次，除在旅游旺季9—10月份外，航班架次比较稳定。

2.2 机型种类较单一

由于高原机场一般位于中国西部及西南地区山地，高原航线地形复杂，气候复杂多变,航路安全高度高,对飞行性能要求高，对适航机型有特殊要求，需要特殊的高原型飞机运行高原航线。目前高原机场运行比较多的机型是C类机型A319。

2.3 周边敏感点分布较少，噪声影响范围有限

支线机场噪声影响范围在跑道两端3 km，跑道两侧0.5 km内[9]，飞机噪声影响范围和强度都很有限。高原地区气候寒冷，常年低温，一般机场周边常驻居民敏感目标分布比较少，且距离机场较远。

2.4 机场所在地区气候多变

高原机场所处地区气候总体特点：气温低，海拔高；冬季干冷漫长，大风多；夏季温凉多雨，冰雹

多；四季不明。1月和7月平均气温都比同纬度东部平原低15～20 ℃[10]。多变的气候及艰苦的自然环境对飞机噪声现场监测工作造成很大困难。

3 飞机噪声计算

3.1 机场选择

青海玉树机场位于青海省玉树州巴塘盆地，盆地内海拔高度为3 850～3 990 m。机场性质为新建国内支线机场，飞行区等级为3C。预测目标年(2023年)旅客吞吐量为12万人次，年起降1 967架次。

3.2 现场监测

3.2.1 点位布设

根据机场周边敏感点分布，选取机场跑道两端5 km范围内11个敏感点位，见表1。敏感点位置示意图见图1。

表1 飞机噪声监测及计算敏感点

图1 敏感点位置示意图Fig.1 Sketoh map of location of sensitive points

3.2.2 监测内容

每个点位连续监测7昼夜，监测每一飞行事件。监测每一飞行事件最大A声级和持续时间，计算出计权等效连续感觉声级(LWECPN)。

3.2.3 监测方法

噪声监测方法采用《机场周围飞机噪声环境测量方法》(GB 9961—1988)。监测仪器为AWA6218A+型噪声统计分析仪。测量前，用声级校准器对测量仪器统一校准，测量结束再重复校准一次。

3.2.4 监测期间机场飞行计划及气象状况

监测时期为9月份，每日飞机起降为4架次，连续监测7 d，机型为A319。监测期间的气象变化见表2。

表2 监测期间气象状况

3.3 噪声计算

3.3.1 基础数据

计算需要的基础数据包括机场经纬度、标高；机场地形图；机场进场和离场程序及航迹图，相应航迹上的水平离(发)散度；飞机飞行动态：不同跑道、不同时段机型的起降架次；起飞剖面图；着陆剖面图；飞机噪声基本数据：N-P-D曲线；机场年均气象参数。

3.3.2 关键参数

利用INM模型进行飞机噪声预测，依据的标准是《民用机场周围飞机噪声计算和预测》(MH/T 5105—2007)[11]。该INM软件需要用户输入机场及所在地气候信息、机型、飞行航迹、敏感点信息、飞机起降等，这些参数是影响预测结果的关键参数，作为环评预测，以上关键参数的获取与机场运行后实际情况会有所出入，会导致预测结果的不确定性。而飞机噪声计算不同于飞机噪声预测，计算所需的参数在机场运行后获得。计算前，到机场实际调查机场运行情况及周边敏感点的分布。机场运行情况主要包括飞机机型、飞行架次、飞行时间、跑道起降方向、飞行程序、飞行航迹，以及高度、温度、湿度、气压等参数和敏感点的信息。

3.3.3 关键数据

噪声计算采用的关键数据列于表3～表6。

表3 机场位置信息

表4 气象条件

表5 跑道信息

注：坐标系原点为给定机场中心位置，东向为X轴，北向为Y轴。

表6 飞行信息

注：根据进、离场图，计算时从10R 端向西方向起飞轨迹为1条(D1)，28L端向东方向起飞轨迹为1条(D2)，由东向西降落轨迹为1条(A1)，由西向东降落轨迹为1条(A2)；“—”表示无此航迹。

3.3.4 运算软件

使用美国联邦航空局开发的专门用于机场周围噪声计算软件FAA-INM，计算流程见图2。

图2 噪声计算流程Fig.2 Noise calculation process

3.3.5 计算公式

机场噪声计算是指对机场周围固定区域或者说固定点的噪声暴露级的计算，对每一次飞行事件，在任一特定点的噪声声级结果，都与一系列的参数有关(如飞机型号、引擎型号、推动力、飞机各阶段速度、特定点与飞机轨迹的距离以及地形、气候等)。通常噪声计算是根据观测点和飞机路径的最短距离，在已经给定的该飞机的基本声学数据上进行插值计算，然后在得到的噪声声压级上迭加实际飞行条件的修正。比如，边界线上的噪声估计可以根据飞行路线下方的噪声值加上位置修正得到。这里依据SAE AIR 1845，以声音暴露级(SEL)为例进行说明。最后估算值是基础噪声数据加上4个调节因子：

LSE=LSE(P,d)+Δν-Λ(β,l)+ΔL+Δφ

(1)

式中：LSE(P,d)是引擎的推动力(P)和地面固定点与飞行航迹的最短距离(d)在已知的参考点数据上进行插值获得的声级值；Δν是速度调节因子，由于一般的基础噪声数据都是基于飞机时速为160节(1节=1.852 km/h)得到的，如果实际的地面速度不是160节时，加入该修正。其值由式(2)计算：

Δν=10lg(160/Vtg)

(2)

式中：Vtg是飞机的地面速度，单位为节。在高海拔机场，必须采用实际的地面速度。飞机在飞行路径上，振动力和速度都会发生变化，在计算中，可以将航迹分成更小的线段，并假设每条线段上推进力保持不变。公式(1)中：Λ(β,l)是横向衰减因子，如观测点没有位于飞机的地面轨迹上，则对其修正，其中β是观测点相对飞行轨迹的仰角，l是观测点到飞机地面轨迹的垂直距离，单位为m。

对于喷气式发动机，其飞机横向衰减因子[G(l)]的计算公式为

当飞机位于地面上时，地对地衰减G(l)满足:

(3)

当飞机位于空中，横向距离大于914 m时：

Λ(β)=

(4)

当飞机位于空中，横向距离小于或者等于914 m时，横向衰减：

Λ(β,l)=G(l)Λ(β)/13.86

(5)

式中：ΔL是针对在飞机起跑点后面的观测点施加的修正因子，与计算点和跑道的夹角有关，单位为dB，由式(6)计算：

对于90°≤θ≤148.4°

ΔL= 51.44-1.553θ+0.015 147θ2-

0.000 047 173θ3

(6)

对于148.4°<θ≤180°

ΔL= 339.18-2.580 2θ-0.004 554 5θ2+

0.000 044 193θ3

(7)

式中：Δφ是持续时间调节因子，如果实际飞行路线有转弯，视地面观测点在弯里或者弯外的情况，进行有效持续时间对地面噪声暴露级(LSE)的修正。由于飞机拐弯时一般距地较高，此修正仅在拐弯半径较小才有效，Δφ一般较小。

上面给出的是单次飞行行为的暴露声级的获得过程。如果得到单架飞机的感觉噪声级(LEPN)，可根据式(9)计算计权等效感觉噪声级(LWECPN)。通常，飞机基础数据有暴露声级(LSE)也有感觉噪声级(LEPN)，如果有某类数据无法得到，可通过近似关系式进行转换：

LEPN=LSE+3

(8)

(9)

4 结果与讨论

敏感点飞机噪声计算结果与监测结果见表7。在飞机噪声影响关注范围内(机场跑道两端3 km，两侧500 m)的唯一一个噪声敏感点(加纳更)，计算值和监测值误差为7 dB，计算结果误差属于可接受范围。其余敏感点误差最大为9.6 dB，最小为0.7 dB，平均在5.5 dB。因其不在噪声影响关注范围内，飞机噪声对其影响有限。这也是高原机场的主要特点，即机场周边敏感点比较少，且分布距机场较远。在今后的实际应用中，应主要关注噪声影响范围内的敏感点，以提高噪声计算的准确度。

表7 敏感点飞机噪声计算结果

可见，尽管计算所需的机型、架次、不同方向的比例、气象等参数与监测期间的数据是相符的，但计算结果与实际仍存在误差。误差主要源于：计算用航迹、飞行程序尽管来源于机场实际运行后的数据，但与监测期间每天的实际飞行参数还会存在偏差;机型的基本噪声数据通常都是在较低的平面上进行测试的结果，暂无高原地区不同机型的基本噪声数据；计算的结果全部是飞机噪声的贡献，未包括测试时周围的环境噪声，这恰恰能客观反映飞机噪声的影响。但从计算精度上看，误差属于可以接受的范围。下一阶段，需要深入研究温度、湿度等气象因子对飞机噪声在空气中侧向衰减的影响，因飞机沿航线飞行时其状态会不断发生变化，飞行轨迹也会变化，故噪声计算时对于确定计算点到航线的最短距离，以及飞机不同飞行状态的影响需要建立修正模型,以便准确获得不同机型在高原地区的基本噪声数据，这将使噪声模型可以在高原地区得到更好的应用。

5 结论

因飞机噪声实际监测结果远低于相应的机场周围飞机噪声标准，以及高原地区复杂多变的气候和艰苦的自然环境，采用飞机噪声实测的意义不大，而采用飞机噪声计算的模式可以满足机场项目飞机噪声竣工验收管理的需求；对于飞机起降架次少，飞行周期稳定，地区气候环境多变，不利于飞机噪声现场监测的高原支线机场，采用飞机噪声计算模式可以弥补高原地区现场监测工作的不足，且大大提高工作的时效性，能为高原机场项目飞机噪声管理提供及时可靠的技术支撑；由于监测结果反映的是监测时期的噪声情况，而项目计算结果给出的是机场全年平均结果，后者对机场附近的土地使用和规划具有非常重要的意义。

建议尽快制定机场验收技术规范,对于自然环境恶劣、不利于飞机噪声现场监测的机场，可以将该方法作为推荐方法应用到高原机场飞机噪声评估中。

[1] 中国民用航空局.全国民用机场布局规划[EB/OL].(2008-02-02)[2016-03-01].http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/ZCFB/201511/t20151104_10860.html.

[2] 国家环境保护局.机场周围飞机噪声测量方法:GB 9661—1988[S].北京:中国标准出版社,1988.

[3] 国家环境保护局.机场周围飞机噪声环境标准:GB 9660—1988[S].北京:中国标准出版社,1988.

[4] 杜继涛.机场噪声预测模型及应用研究[D].南京：南京航空航天大学研究生院，2011：45-64.

[5] 李冉.基于综合噪声模型INM的机场噪声预测方法及其影响因素研究[J].北方环境，2013，25(9)：33-37.

LI Ran.The airport noise prediction method and the influencing factors based on INM[J].Northern Environment，2013，25(9)：33-37.

[6] 田瑞丽，李洪波，曲恩超.飞机噪声预测与实测对比分析[J].绿色科技，2014,7(7)：251-253.

TIAN Ruili，LI Hongbo，QU Enchao.Comparative analysis of aircraft noise prediction and measurement[J].Journal of Green Science and Technology，2014,7(7)：251-253.

[7] 刘洲.飞机噪声计算通用模型研究[J].振动与冲击，2012,31(17):124-128.

LIU Zhou.A general model for aircraft noise calculation[J].Journal of Vibration Shock, 2012,31(17):124-128.

[8] 中国民用航空总局飞行标准司.咨询通告：航空承运人高原机场运行管理规定:AC-121-21[Z/OL].(2007-03-02)[2016-03-02].http://www.doc88.com/p-308744391622.html.

[9] 刘海东.不同规模民用机场项目主要环境影响对比分析[J].中国环境管理，2014,6(6)：31-35.

LIU Haidong.A comparative study on the major environmental impacts among different size of civil airport[J].Chinese Journal of Environmental Management，2014,6(6)：31-35.

[10] 中国数字科技馆.青藏高原的气候特征[EB/OL].[2016-03-03].http://amuseum.cdstm.cn/AMus-eum/chuanyu eqingzang/m134.html.

[11] 中国民用航空总局.民用机场周围飞机噪声计算和预测:MH/T 5105—2007[S].北京：中国科学技术出版社，2007.