涡桨飞机噪声综述

常玲玲

(中航西飞民用飞机有限责任公司 工程技术中心，西安 710089)

0 引言

和其他运输方式相比航空运输具有快捷、安全、舒适等优势。近年来，航空运输业的快速发展也带来油耗增加、环境污染、噪声污染等一些问题。关于噪声污染，有关研究者、飞机制造商、航空运输公司、机场等与航空运输业相关的人员和实体都越来越重视[1-5]。

对于航空噪声污染，不同的组织制定了相应的适航噪声规章。美国联邦航空局(FAA)通过36-0修正案，采用新的36部噪声型号适航标准和程序，要求新设计的飞机必须满足该规章中关于噪声的规定[6]。1981年，国际民用航空组织(ICAO)出版了第一版环境保护规章，规定了飞机噪声限值的统一标准[7]。2002年中国民用航空局(CAAC)根据FAR Part 36的相关规定提出了CCAR-36部[8]，以此来规范我国飞机适航噪声限值。另外，一些国家和组织还制定了关于飞机噪声的法规标准，对飞机噪声实行地方管治。我国于1988年颁布实施了《机场周围飞机噪声环境标准》[9]，且新的替代标准也在制定当中[10]。

2021年，波音公司发布预测报告称仅中国未来20年新民用飞机需求量就达8700架[11]。面对如此庞大的需求市场，低噪声飞机的设计不仅是为满足越来越高的适航许可证的要求，而且也是飞机制造商迎合市场竞争的重要手段。涡桨飞机是以涡轮螺旋桨发动机作为动力的飞机，适于中速长距离飞行，具有低空和低速性能好、对起降要求低、性价比高、驾驶相对容易等优点，近年来需求量明显增加。涡桨飞机应用广泛，支线客机、运输机、海岸巡逻机和反潜机大多为涡桨飞机，因此，涡桨飞机的噪声研究具有十分重要的意义。

涡桨飞机的噪声指标除了需满足获取适航许可证的噪声要求外，还需满足乘坐舒适性的要求。前者一般称之为适航噪声，后者一般指的是舱内噪声。

1 涡桨飞机的适航噪声

1.1 涡桨飞机适航噪声的涵义

适航噪声是指飞机起飞爬升和着陆进近时存在的各种噪声源对机场周围环境的声辐射总和。适航规章中的适航噪声指标分横侧噪声、飞越噪声和进近噪声三项。横侧噪声和飞越噪声都是飞机起飞爬升到一定高度时，在机场指定点所测得的飞机噪声的声辐射总和；进近噪声则是飞机进近着陆下降到一定高度时，在机场指定点所测得的飞机噪声的声辐射总和。

1.2 涡桨飞机适航噪声的量测

《航空器型号和适航合格审定噪声规定》(CCAR-36)、国际民用航空公约附件16《航空器噪声》及美国联邦适航条例《噪声标准:航空器型号和适航合格审定》(FAR36)等都对航空器的适航噪声验证测量方法有严格的规定，涉及试验场地要求、飞行基准、航迹确定、测点布置、数据获取、记录方法、结果修正及结果的有效性判别等诸多方面，其中绝大部分都给定了严格的数据限制或要遵循的相关标准等，但也有个别要求只作了某些限定(航迹检测、测量结果的有效性分析等)[12]。

我国开展飞机噪声适航工作依据为《航空器型号和适航合格审定噪声规定》和《航空器噪声》，国产飞机进行噪声适航审定时，运输类大飞机的测量和计算必须按CCAR-36的程序步骤和实验设备进行测定，或者用中国民用航空总局批准的等效程序来测定。

飞机噪声适航审定评价的参数有等效连续A声级、声暴露级、感觉噪声级PNL和噪度PN、有效感觉噪声级等[13]。本文采用有效感觉噪声级，它是对感觉噪声级进行修正后得到的噪声级(包括持续时间修正和纯音修正)，单位为EPNdB。

根据有关规章的要求，涡桨飞机的噪声适航审定需要测量三个不同位置的噪声值，即飞越噪声、横侧噪声和进近噪声，其具体测量点位置为：(1)飞越基准噪声测量点在飞行航迹下方的跑道中心线的延长线上，与起飞滑跑点相距6 500 m；(2)飞越基准噪声测量点在与跑道平行且与跑道中心线相距650 m的延长线上；(3)进近基准噪声测量点在飞行航迹下方的跑道中心线的延长线上，与跑道入口点相距2 000 m。图1所示为飞机滑跑、起飞和进场时的航迹示意图，图中同时给出了大型涡桨飞机起飞时横侧噪声和飞越噪声的量测点位置(图1(a))及进近时进近噪声的量测点位置(图1(b))。

但在实际中涡桨飞机基准飞越噪声和进近噪声测量点是相同的，但不同飞机型号和构型对应的横侧测量点的位置也可能不同[14]。

1.3 涡桨飞机适航噪声指标现状

国际民用航空公约中的飞机噪声级通常每十年修订一次，每次修订都降低约10 EPNdB，因此飞机适航噪声指标设计除满足第四阶段飞机噪声级外，至少还应有15 EPNdB以上的总裕度以应对不断更新的飞机噪声限制标准。

涡桨飞机适航噪声限值与飞机的最大起飞重量有关，两者之间的关系如图2所示。由图2可知，涡桨飞机的适航噪声指标中进近噪声最大，横侧噪声居中，飞越噪声最小。

笔者所在单位正在进行某型涡桨飞机的研制，该飞机为双发动机，设计最大起飞重量为27 500 kg。下面以该型飞机目标噪声与国际上运营的起飞重量相近的DHC-8-Q400和ATR72-500型涡桨支线飞机噪声指标为例，了解国际涡桨飞机噪声指标现状。由图2可知，上述三种飞机的噪声适航噪声级值都在图中左侧的水平线范围内。

三种涡桨飞机的适航噪声值和裕度值示于表1。表1中DHC-8-Q400和ATR72-500涡桨飞机的噪声值为实测平均值，某型在研涡桨飞机的为设计目标值，裕度值为相对于规章第四阶段噪声级。

表1 涡桨飞机适航噪声值和裕度值

1.4 涡桨飞机适航噪声研究现状

国内对飞机噪声适航的研究相较于发达国家而言还不是很成熟，涡桨飞机亦是如此。

欧美发达国家对飞机噪声研究非常重视。国际标准化组织、国际民航组织、美国航空管理局、欧洲民用航空委员会等组织都提出了有关航空器噪声适航审定方面的若干行业标准、法规及航空器噪声计算模型。如欧洲民用航空委员会于1987年出版了《民用机场周围噪声等值线图标准计算方法研究报告》，并于2005年进行再次修订[15-16]。

国外的研究人员对飞机适航噪声进行了大量的研究。内容涉及飞机设计与噪声适航审定的关联[17]、噪声合格审定的数值方法[18]、飞机噪声级的修正算法[19]、噪声的预测方法及优化[20]等方面。

国内研究人员对飞机的适航噪声也进行了一些相关研究工作，涉及飞机飞行噪声的预测方法[21]、适航审定规章制度[22]、声等值线绘制[23]、民航飞机噪声适航审定试飞基本程序的等效方法[24]、等效飞行试验程序[25]等。

总体而言，在适航噪声的研究中，关于横侧噪声的研究还显不足。

2 涡桨飞机的舱内噪声

涡桨飞机舱内噪声的大小是影响乘坐舒适性的重要因素之一。随着飞机市场竞争的日趋激烈，舱内噪声也是决定飞机市场竞争力的重要因素之一。若舱内噪声过大引起的振动易导致机身结构产生疲劳，也会导致仪器仪表灵敏度降低或出现过早损坏，因此如何降低飞机舱内噪声具有重要意义。

与适航噪声不同，不同的国家和地区制定了适用于本国本地区的舱内噪声标准[26]，目前还没有公开的国际标准对舱内噪声加以限制。尽管如此，随着航空运输业的快速发展，舱内噪声指标逐渐成为飞机设计的重要指标之一，且越来越得到重视。近年来，对飞机舱内噪声的研究报道越来越多。

左孔成等[27]指出，飞机舱内噪声的控制主要从噪声源识别、降噪控制措施和噪声传递路径等三个主要方面开展工作。

2.1 噪声源

从噪声源来看，飞机舱内噪声可由不同的声源或振源形成，通过空气或结构传声进入舱内[28]。声源或振源可源自机身内或机身外，声源或振源的分布取决于机型[29]。涡桨飞机的舱内噪声主要由其动力装置涡轮螺旋桨旋转引起飞机壁板振动而产生的[29]。螺旋桨在运转时必然会产生噪声，螺旋桨拖出的涡系可诱发机翼翼面气流脉动，气流脉动将会以结构噪声形式，传入机舱内部，导致舱内噪声加大，且螺旋桨辐射的噪声可诱发结构振动与声疲劳[30]。此外，涡桨飞机巡航时舱内噪声的噪声源还包括舱内环控系统的噪声及附面层噪声。

2.2 降噪控制措施

涡桨飞机舱内降噪可分为被动降噪和主动降噪两类，其中：被动降噪主要为增大噪声传递损失的方法，因飞机重量限制，被动降噪方法的降噪效果有限；主动降噪则是通过设置次级声源或振源来消除噪声源的干扰，包括改善噪声源、优化噪声传递路径等[27]。

2.3 噪声传递路径

外部噪声源主要通过空气传声与结构传声两种途径进入飞机舱内。外部声场以及空气动力压力场两部分是空气传声主要来源，主要通过机身、地板等结构传入舱内。尽管目前民航客机采取了许多降噪措施，但舱内噪声降噪效果并不理想，主要原因为声源识别困难及噪声传递路径识别问题，噪声传递路径识别问题至今没有很好解决。

2.4 舱内噪声研究现状

舱内噪声研究报道明显多于适航噪声。从相关研究文献和报道来看，飞机舱内噪声研究内容主要涉及噪声机理、噪声预测、降噪措施等诸多方面，且噪声机理及噪声预测研究较为系统。王春辉[31]对螺旋桨飞机舱内噪声的研究现状进行总结并采用有限元方法对螺旋桨分级舱内噪声特点进行分析。

涡桨飞机的舱内噪声首先需明确舱内噪声的主要来源及产生的机理。研究表明，飞机舱内噪声来源主要有发动机噪声、附面层噪声、系统管路噪声、系统成品噪声、排气噪声等[32]。对于涡桨飞机而言，噪声主要为外部噪声(发动机动力装置噪声和机体结构气动噪声)，机体结构和机载设备噪声，舱内噪声主要受低频噪声的影响[33]。外部噪声源产生的声音通过空气传到机身引起舱壁振动向舱内辐射引起舱内噪声。此外，机翼或其他结构部件产生的振动，通过机体结构传输，可引起的舱内噪声。空气传声和结构传声在舱内相互耦合又会引起结构振动，继而产生噪声，如此反复形成最终的舱内噪声。

研究人员采用不同的方法对舱内噪声预测分析进行了广泛研究，常用的分析方法有声压矩阵传递法、声阻抗分析方法、有限元法、模态叠加法、边界元法、统计能量法等[31]。

从舱内噪声控制研究来看，利用客舱壁板结构隔声是飞机舱内噪声控制研究领域中的重要部分[34]。但对于涡桨飞机舱内噪声而言，传统的隔声、吸声方法对低频噪声并不是非常有效，控制噪声措施还有待深入研究。

此外，机体噪声是飞机噪声的重要组成部分之一，也是舱内噪声来源之一，国内对机体噪声领域研究开展的相对较晚[35]。

3 结论

涡桨飞机噪声分为适航噪声和舱内噪声，适航规章对适航噪声有严格限制，而舱内噪声是保证机组人员与旅客机的舒适性需求，适航规章中对舱内噪声没有明确要求。适航噪声指标中的横侧噪声及舱内噪声预测方法、噪声传递的路径识别及机体噪声等还有待深入。涡桨飞机的噪声发展趋势为：

(1)新能源在涡桨飞机中的应用。研究人员已开展新能源在飞机中的应用研究，如俄罗斯已进行氢能飞机、天然气飞机试航研究，我国研究人员已进行电动螺旋桨飞机舱内噪声特性的分析研究。新能源在涡桨飞机中的应用是降低噪声的有效途径之一。

(2)机体结构和舱内环境声学优化设计。近年来随着声学设计技术和手段的不断发展，结合声学进行机体结构和机舱环境声学的优化设计是降低噪声的可行途径。

(3)采用新型材料降噪。随着航空新材料、复合材料、蜂窝夹层结构、隔音材料的发展，在满足适航规章防火、阻燃、无毒等要求前提下可在发动机、机体、机舱舱内壁板等处采用吸声和隔声性能良好的新型材料以降低噪声。

(4)加强噪声传递路径识别研究。噪声的传递路径主要有空气传声和结构传声两种，但是涡桨飞机噪声源种类较多且噪声源产生的噪声声学特点不同在传递路径存在相互作用。加强噪声源噪声传递路径识别，可设置噪声传递阻尼降低噪声。

(5)机载设备降噪。涡桨飞机的机载设备包括APU、液压泵、起落架、换气系统等，这些机载设备在工作时会产生噪声，降低机载设备工作时的噪声，有利于降低涡桨飞机的噪声。