机场周围区域飞机噪声监测方法对比研究

汪 贇，白 煜，沈 松，赵佳美，温香彩

1.中国环境监测总站，国家环境保护监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.宁波市环境监测中心，浙江 宁波 315012 3.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054

近年来，我国机场建设快速发展，民用机场数量从2006年的142个增至2016年的218个，增长了53.5%，机场噪声也受到了更多关注[1-2]。我国机场周围飞机噪声监测与评价的2项国家标准《机场周围飞机噪声环境标准》(GB 9660—1988)[3]和《机场周围飞机噪声测量方法》(GB 9661—1988)[4]自1988年发布已使用了30 a，正在进行修订。此次修订中最重要的修改是噪声评价量由计权等效连续感觉噪声级LWECPN改为昼夜等效声级Ldn。LWECPN是国际民航组织(ICAO)推荐的飞机噪声评价量，该评价量基于噪度，考虑了纯音修正，在监测单次飞机噪声时更符合人的主观感受。Ldn(或Lden)是目前国际上美国、欧洲等使用的机场周围飞机噪声评价量[5]，该评价量基于响度，被认为是更适合评价多次飞机经过的长期影响。监测方法与评价量的更改会带来标准限值和监测结果历史连续性的问题[6-7]。为了探讨2个评价量LWECPN与Ldn的联系与差异，本文通过理论推导和对典型机场的实地监测数据，对2种监测与评价方法进行对比，以期为后续工作提供指导。

1 监测概况

1.1 监测机场

机场一般分为军用和民用2类，其中民用机场中有运输机场、通用机场等类型。民用运输机场为供运输旅客或货物的民用机场，因一般与城市距离较近，起降架次较多，噪声影响较大。本文选择民用运输机场中宁波栎社国际机场为代表，该机场位于中国浙江宁波鄞西平原，距市区仅12 km，为浙江宁波的4E级民用机场。该机场于1990年6月30日正式建成通航，飞行区跑道长3 200 m，停机位20个。2016年，宁波栎社国际机场旅客吞吐量779.23万人次(全国排名34位)，货邮吞吐量10.70万t(全国排名24位)，运输起降6.36万架次(日均起降约174架次，全国排名第42位)。

1.2 现场监测

宁波栎社机场的跑道为“东南-西北”方向。监测点位布设在宁波栎社机场航线附近受到飞机噪声影响的2个住宅小区内。1#点位位于机场东南方向，与机场距离1.4 km。2#点位位于机场的西北方向，与机场距离1.6 km。每个测点连续监测1 d。监测点位的相关信息见表1。监测点位与机场、航线相对位置图见图1。

表1 监测点位相关信息Table 1 Information of the monitoring points

图1 监测点位与机场、航线相对位置图Fig.1 Relative location of the monitoring points, the airport and the airlines

1.3 监测方法

机场噪声监测是采用噪声事件监测法，即把每次飞机经过时的噪声作为一噪声事件。噪声事件具有持续时间短和声级较高的特点，仅监测噪声事件期间的声级，排除了其他时间段环境噪声干扰，根据一段时间内总的噪声事件次数，把噪声事件声能量平均到整段时间内得到这段时间的等效声级。因此机场周围飞机噪声监测被分为单次飞机噪声事件的监测和一段时间内等效声级的测量。

同步采用现行标准和修订标准中的监测方法开展监测，2种监测方法主要的区别：①单次飞机噪声的监测量不同，现行标准中监测量为有效感觉噪声级LEPN(使用简易法监测时实际监测量为最大声级LAmax和持续时间td)，修订标准监测量为暴露声级LAE和最大声级LAmax；②计算一昼夜等效声级的时段划分方式和计权不同，现行标准中把一昼夜划分为昼间、傍晚、夜间3个时间段，修订标准中仅划分昼间和夜间2个时间段。

分别分析单次飞机噪声事件和一昼夜等效声级测量中2种测量方法的区别对评价量LWECPN与Ldn的影响。

2 单次飞机噪声事件

2.1 LEPN与LAE的定义与测量方法

单次飞机噪声是指单次飞机经过期间内的噪声。有效测量时间为单次飞机噪声事件最大声级(Lmax)以下10 dB(A)的起始(t1)到终止(t2)的持续时间td(s)，td=t2-t1。现行标准中单次飞机噪声的监测量是有效感觉噪声级LEPN，其计算公式：

(1)

式中：LTPNi为第i个飞机噪声事件的经纯音修正的感觉噪声级；T0为计算LEPN的标准时间，10 s；n为实际持续时间td内的采样数。

在实际监测时一般采用简易法，即用每次飞机经过期间的最大A声级LAmax和持续时间td近似计算LEPN，其计算公式：

LEPN=LAmax+10lg(0.5td/T0)+13=

LAmax+10lg(0.5td)+3

(2)

修订标准中单次飞机噪声事件用暴露声级LAE表示，计算公式[8-10]：

(3)

式中：LAE为单次飞机噪声事件的暴露声级，dB(A)；T1为计算LAE的标准时间，1 s。

2.2 LEPN与LAE差值的理论推导

为比较单次飞机噪声监测量LEPN与LAE的差值，假设在测量过程中飞机匀速直线运动，用理论推导的方法，从式(2)和式(3)推导两者差异。

假设飞机在td时间内匀速直线通过监测点位，速度为v0，与监测点位最短距离为d，与监测点位直线距离为r，与监测点位水平距离为x，如图2所示。

图2 飞机与监测点位相对位置图Fig.2 Relative location of the airplane and the monitoring point

飞机可近似为点声源，测点处飞机噪声声级随飞机与测点距离变化为

L(x)=LAmax-20lg(r/d)

(4)

因此，飞机噪声较LAmax衰减10 dB时，即LAmax-L(x)=10，对应飞机与监测点位距离r1为

r1=100.5d

(5)

相应的飞机与测点水平距离为

(6)

飞机与测点水平距离3d以内时为单次飞机事件噪声值的主要贡献，距离3d以上时飞机噪声衰减达10 dB以上，影响较小。

由于v0td=6d，可计算此过程内飞机噪声暴露声级：

LAmax+10lg(0.42td)≈LAmax+10lg(0.5td)-0.75

(7)

比较式(2)与式(7)，LEPN与LAE的关系可近似为LEPN-LAE≈3.75。

2.3 LEPN与LAE差值的测量结果

在对宁波机场周围飞机噪声测量期间，起飞方向共经过了飞机91架次，降落方向共经过了飞机96架次。对每次飞机噪声事件，分别按现行标准中简易法和修订标准中监测方法测量了LAmax、LEPN和LAE。测量结果见表2。

表2 单次飞机噪声测量结果Table 2 Noise monitoring results of the flights

比较不同机型的飞机噪声，此次监测中，在起飞方向空客321噪声值最高，与空客320相比，LAmax高2.7 dB,LEPN和LAE均高2.4 dB；与波音737相比，LAmax高0.8 dB,LEPN高1.0 dB，LAE高1.2 dB。在降落方向波音737噪声值最高，与空客320相比，LAmax高1.4 dB,LEPN和LAE均高0.9 dB；与空客321相比，LAmax高0.9 dB,LEPN和LAE均高0.6 dB。

统计各次飞行事件飞机噪声的LAmax、LEPN和LAE四分位分布情况(见图3)。虽然测点1与机场距离更近，但由于测点1与航迹距离较远且测点1处飞机高度较高，噪声值较低。

图3 LAmax、LEPN和LAE的四分位分布Fig.3 The interquartile range of LAmax, LEPN and LAE

计算每次飞机噪声事件的LEPN和LAE的差值，如图4所示。与理论推导相比，实际测量时每次飞机噪声事件的LEPN和LAE的差值不同，范围2.1～5.5 dB。

图4 LEPN和LAE的差值分布情况Fig.4 The distribution of the difference between LEPN and LAE

不同测点、机型的单次飞机噪声LEPN和LAE差值的统计结果见表3和表4。

表3 单次飞机噪声LEPN和LAE的差值Table 3 The difference value between LEPN andLAE of every flight

从统计结果可见，此次监测中起飞方向和降落方向2个测点的LEPN和LAE的差值有显著差异，起飞方向低于降落方向；不同机型间的LEPN和LAE的差值无显著差异。

表4 显著性检验Table 4 Significance test

分析理论推导和实际监测结果存在不一致的原因：LEPN简易测量法采用最大A声级LAmax和持续时间td计算，LAmax是单一时刻的瞬时值，td由噪声事件起始点和终止点确定，因此LEPN只由噪声事件声级时序曲线中的3点即可确定；而LAE是对飞机噪声事件全过程的声级积分，过程中所有噪声变化都计入在内。根据理论推导，飞机匀速直线飞行时2个监测量约相差3.75 dB，但实际上每个飞机噪声事件因飞机飞行程序、航迹、周围传播环境等存在区别，LEPN与LAE的差值并不相同。若最大声级LAmax受到其他声源干扰、测量点附近有较大遮挡物(如山体、建筑等)、监测期间飞机航迹变化较大(如飞机转弯、升高降低或加速等)，则LEPN与LAE的差值与3.75 dB相差较大，如测点1#处于飞机转弯位置，不同机型LEPN与LAE的差值分别为2.6 dB和2.7 dB。

3 一昼夜的等效声级的测量及计算

3.1 LWECPN与Ldn的定义与计算方法

机场噪声评价以一昼夜为基本时间单位，对一昼夜内所有飞机噪声事件的噪声级，经能量平均后等效为一昼夜的等效声级。因夜间时段应该保证更安静的声环境，因此不同时段的飞机噪声权重不同。

(8)

(9)

3.2 LWECPN与Ldn差值的理论推导

根据LWECPN和Ldn的定义公式比较两者区别，两者差值：

(10)

3.2.1 傍晚航班对评价结果的最小影响

若傍晚时间段无航班，即N2=0，2种计权方法中一天内总飞行次数没有差别：

(11)

3.2.2 傍晚航班对评价结果的最大影响

若全部航班都在傍晚，即N1=N3=0，则2种计权方法的一天内总飞行次数相差3倍：

(12)

3.2.3 一般情况下傍晚航班对评价结果的影响

一般情况民用运输机场全天除夜间00:00—05：00无航班起降或数量极少，其余每小时航班数量较均匀，即N1∶N2∶N3=13∶3∶3，则：

(13)

因此，傍晚航班引起的LWECPN与Ldn的差值变化范围为0～4.8 dB，一般情况下约为0.8 dB。

3.3 LWECPN与Ldn的实测结果

此次宁波机场噪声监测中，起飞和降落方向全天不同时段飞行次数监测结果见表5。测点1处傍晚航班数量为10次，占全天航班次数的6.1%，测点2处傍晚航班数量为19次，占全天航班次数的11.8%。根据昼间、傍晚和夜间时段各自的飞行次数，采用2种计权计算了一昼夜总飞行次数。

表5 不同时段飞行次数Table 5 The number of flights during differenttime periods of the day

表6 一昼夜Ldn和LWECPNTable 6 Ldn and LWECPN during a day and night dB

4 结论

本文通过理论推导和实地监测数据，深入分析了机场噪声现行标准与修订标准中2种监测方法的区别：

1)单次飞机噪声监测量不同，分别是LEPN和LAE。LEPN的简易测量法采用LAmax和td计算，LAmax是单一时刻的瞬时值。LAE则是对飞行时间全过程积分。在飞机匀速直线经过时两者差值约为3.75 dB。实际上LEPN和LAE的差值与飞行航迹、飞机运动状态、噪声传播环境、突发噪声干扰等因素相关，本次监测的187次飞机LEPN和LAE的差值为2.1～5.5 dB。

2)对一昼夜时间段划分方式和计权不同。现行标准把全天划分为昼间、傍晚和夜间3段，修订标准只划分为昼间和夜间2段。傍晚飞行次数引起的评价结果差异为0～4.8 dB，一般情况下为0.8 dB。

因此，在飞机近似匀速直线经过测点且全天起降架次较均匀(除夜间00:00—05:00无航班)的情况下，LWECPN与Ldn的差值约为14.55 dB。