宋亞輝，盧曉東，張曉亮，張躍林

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院飛機(jī)所，陜西 西安 710089)

0 引 言

根據(jù)中國(guó)民用航空局的《CCAR-36航空器型號(hào)和適航合格審定噪聲規(guī)定》[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“CCAR-36部”)和國(guó)際民航組織的《國(guó)際民用航空公約-附件16-環(huán)境保護(hù)手冊(cè)-卷Ⅰ》[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ICAO附件16”)，運(yùn)輸類(lèi)大飛機(jī)、噴氣式飛機(jī)和直升機(jī)噪聲合格審定準(zhǔn)則的基本要素是有效感覺(jué)噪聲級(jí)(Effective Perceived Noise Level,EPNL)，考慮了飛機(jī)噪聲對(duì)人類(lèi)的主觀影響，由經(jīng)過(guò)頻譜不規(guī)則性修正和持續(xù)時(shí)間修正的瞬間感覺(jué)噪聲級(jí)組成。在有效感覺(jué)噪聲級(jí)的計(jì)算過(guò)程中，頻譜不規(guī)則性修正是通過(guò)計(jì)及純音修正因子實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算純音修正因子的數(shù)據(jù)來(lái)自于布置在地面上的傳聲器測(cè)量的噪聲頻譜，不可避免地受到試驗(yàn)環(huán)境的影響[3-5]，主要有三個(gè)方面：(1)傳聲路徑上大氣不均勻性和擾動(dòng)；(2)地面對(duì)聲波傳播的影響；(3)噪聲頻譜分析和數(shù)據(jù)修正方法。這些影響因素導(dǎo)致測(cè)量的噪聲頻譜中含有非飛機(jī)噪聲的頻譜不規(guī)則性成份，通常稱(chēng)為偽純音?！癈CAR-36部”及其咨詢(xún)通告(附件)[4]和“ICAO ETM”[5]中指出，由飛機(jī)噪聲源產(chǎn)生的純音適用于純音修正因子計(jì)算，由偽純音引起的頻譜不規(guī)則性在計(jì)算中無(wú)需考慮，需要去除其影響。通常，若不識(shí)別和去除由地面對(duì)聲波傳播影響引入的偽純音對(duì)純音修正因子計(jì)算的影響，可導(dǎo)致純音修正因子計(jì)算值偏大，使有效感覺(jué)噪聲級(jí)被高估。

“CCAR-36部”A36.4.3條中給出了一種通過(guò)窄帶分析來(lái)識(shí)別和去除偽純音的方法，這是一種精確地完全去除偽純音影響的方法，但是依靠窄帶分析等手段識(shí)別并量化偽純音非常困難，而且該條款也沒(méi)有給出具體的計(jì)算方法?！癈CAR-36部”咨詢(xún)通告(附件)和“ICAO ETM”中推薦了偽純音識(shí)別思路，并給出了與“CCAR-36部”中方法等效的偽純音去除方法，但也存在應(yīng)用困難：一是因?yàn)槠洳⑽唇o出如何利用這些方法進(jìn)行偽純音識(shí)別，二是偽純音去除方法存在過(guò)修正可能，當(dāng)偽純音存在的頻帶與飛機(jī)真實(shí)純音的頻帶重合時(shí)，去除偽純音影響時(shí)也去除了飛機(jī)真實(shí)純音影響，導(dǎo)致純音修正因子被低估。

“CCAR-36部”咨詢(xún)通告(附件)和“ICAO ETM”中推薦的頻率跟蹤、窄帶分析和檢查噪聲時(shí)間歷程的偽純音識(shí)別方法本質(zhì)上是一類(lèi)方法，Rackl R[6]通過(guò)飛行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算表明，由于大氣湍流和測(cè)量點(diǎn)地面聲學(xué)特性不均勻等，實(shí)測(cè)頻譜中純音和偽純音的多普勒頻移規(guī)律并不理想，這三種方法難以可靠地識(shí)別和去除偽純音影響。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)認(rèn)可一種依賴(lài)于頻率跟蹤和檢查噪聲時(shí)間歷程等方法的頻率截?cái)喾╗6]，即在計(jì)算純音修正因子時(shí)忽略截?cái)囝l率(一般是800 Hz)以下的頻譜不規(guī)則性，頻率截?cái)喾芷鸬叫Ч珒H適合于特定機(jī)型的特定飛行狀態(tài)。實(shí)際上，改變傳聲器高度的方法是一類(lèi)易于實(shí)現(xiàn)且精度相對(duì)高的偽純音識(shí)別方法。FLEMING等[3]和RACKL[6]通過(guò)將適航噪聲傳聲器提高至離地10 m，減弱了偽純音的影響，但改變適航噪聲傳聲器的高度不符合國(guó)內(nèi)外適航規(guī)章要求。眾多研究者在研究地面對(duì)飛機(jī)噪聲傳播的影響時(shí)，形成了一種在地面布置帶剛性反射面的倒置傳聲器的試驗(yàn)方法[7-8]，將這種設(shè)置輔助的倒置傳聲器的試驗(yàn)方法與噪聲適航審定試驗(yàn)相結(jié)合，可用于偽純音的精確識(shí)別。

“CCAR-36部”咨詢(xún)通告(附件)和“ICAO ETM”中的偽純音去除方法的思路是，在識(shí)別出偽純音出現(xiàn)的頻帶后，令純音修正因子計(jì)算步驟中這些頻帶的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，然后重新計(jì)算純音修正因子。實(shí)際應(yīng)用這一方法時(shí)，若識(shí)別偽純音時(shí)也對(duì)飛機(jī)的真實(shí)純音進(jìn)行識(shí)別，避免過(guò)修正，則能更合理地去除偽純音的影響。基于以上分析，本文提出了一種滿(mǎn)足適航規(guī)章的、可靠的識(shí)別和去除偽純音影響的試驗(yàn)和分析方法，并結(jié)合某型民機(jī)噪聲適航合格審定試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 偽純音的影響

根據(jù)“CCAR-36部”和“ICAO附件16”，評(píng)價(jià)運(yùn)輸類(lèi)大飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)適航噪聲采用的是有效感覺(jué)噪聲級(jí)，有

式中，EPNL為試驗(yàn)條件下的有效感覺(jué)噪聲級(jí)，PNLTM是最大純音修正感覺(jué)噪聲級(jí)，是純音修正感覺(jué)噪聲級(jí)PNLT(k)的最大值，D是持續(xù)時(shí)間修正因子，而

其中，k為0.5 s間隔的時(shí)間段序列號(hào)，PNL(k)是瞬間感覺(jué)噪聲級(jí)，n為PNLTM-10區(qū)間對(duì)應(yīng)時(shí)間包含的0.5 s時(shí)間間隔的個(gè)數(shù)，C(k)是純音修正因子。

通常噪聲適航審定試驗(yàn)中氣象條件、飛行航跡可能與基準(zhǔn)條件不同，需要將結(jié)果調(diào)整到基準(zhǔn)條件下，采用“完整的修正方法”[4-5]，有

式中，EPNLr為基準(zhǔn)條件下的有效感覺(jué)噪聲級(jí)，PNLTr(k)是基準(zhǔn)條件下的瞬間感覺(jué)噪聲級(jí)，Δtr(k)是基準(zhǔn)條件下的時(shí)間間隔。

根據(jù)“CCAR-36部”和“ICAO附件16”中純音修正因子計(jì)算步驟可看出，偽純音的存在影響規(guī)章中的步驟(7)計(jì)算的平滑純音后的偽寬帶噪聲級(jí)，從而影響純音修正因子值。從式(1)～式(4)可以看出，純音修正因子影響PNLT(k)值和PNLTr(k)值，還影響PNLTM-10區(qū)間和PNLTMr-10區(qū)間的大小，從而影響有效感覺(jué)噪聲級(jí)結(jié)果。因此，應(yīng)在計(jì)算純音修正因子時(shí)識(shí)別和去除偽純音影響，而且應(yīng)在純音頻帶分割修正[1-2]前進(jìn)行。

2 偽純音影響的識(shí)別與去除方法

2.1 偽純音影響的識(shí)別方法

圖1為民機(jī)適航噪聲測(cè)量和聲傳播示意圖，沿路徑r和r′傳播的是飛機(jī)噪聲的直達(dá)噪聲，沿路徑R和R′傳播的是飛機(jī)噪聲的地面反射噪聲，倒置傳聲器裝置布置在適航噪聲傳聲器旁，傳聲器倒置在剛性反射面上。試驗(yàn)中飛機(jī)與傳聲器距離較遠(yuǎn)，將噪聲源看作集中于噪聲參考點(diǎn)的點(diǎn)聲源，則倒置傳聲器處的飛機(jī)直達(dá)噪聲頻帶聲壓級(jí)SPLifree(i)為[7-8]

式中，SPLitest(i)是倒置傳聲器實(shí)測(cè)頻帶聲壓級(jí)，i為頻帶序號(hào)，r′和R′分別是倒置傳聲器接收的直達(dá)聲和反射聲傳播距離，Cτ為特定帶寬自相關(guān)系數(shù)。

圖1 民機(jī)適航噪聲測(cè)量和聲傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram of civil airplane noise measurement and the sound propagation

對(duì)式(5)得到的倒置傳聲器處飛機(jī)直達(dá)噪聲進(jìn)行傳播路徑和聲衰減調(diào)整[1-2,9]，即得到適航噪聲測(cè)點(diǎn)處飛機(jī)直達(dá)噪聲頻帶聲壓級(jí)SPLfree(i)，有

式中，r是適航噪聲傳聲器接收的直達(dá)聲傳播距離，α(i)是第i個(gè)頻帶的聲衰減系數(shù)。

為進(jìn)行偽純音識(shí)別，令

式中，SPLtest(i)是適航噪聲傳聲器實(shí)測(cè)的頻帶聲壓級(jí)。則偽純音出現(xiàn)的頻帶應(yīng)是ΔSPL(i)頻譜所有大于零的極大值所在頻帶[10]，即實(shí)現(xiàn)了偽純音的識(shí)別。

2.2 偽純音影響的去除方法

為避免當(dāng)偽純音與飛機(jī)真實(shí)純音的頻帶重合時(shí)帶來(lái)過(guò)修正，對(duì)式(6)得到的適航噪聲測(cè)點(diǎn)處飛機(jī)直達(dá)噪聲進(jìn)行頻譜不規(guī)則性分析，識(shí)別飛機(jī)真實(shí)純音及其頻帶，判斷偽純音與飛機(jī)真實(shí)純音的頻帶是否存在重合。借鑒“CCAR-36部”咨詢(xún)通告(附件)和“ICAO ETM”中的偽純音去除方法，可得以下改進(jìn)的去除偽純音影響的方法。

按照規(guī)章中的步驟[1-2]計(jì)算實(shí)測(cè)適航噪聲的1/3倍頻程帶純音修正因子及其所有不為零的頻帶ni和純音修正因子及其頻帶N(若純音修正因子為0，認(rèn)為N不存在)，采用式(6)的計(jì)算結(jié)果按照規(guī)章中的步驟計(jì)算1/3倍頻程帶純音修正因子所有不為零的頻帶mi和純音修正因子所在頻帶M(若純音修正因子為0，認(rèn)為M不存在)，采用式(7)找出可能的偽純音所在的1/3倍頻程帶pi。分以下幾種情況處理：(1)若N和M都存在且N=M，表明實(shí)測(cè)適航噪聲純音修正因子計(jì)算未受偽純音影響，無(wú)需識(shí)別和去除偽純音影響；(2)若N不存在，表明實(shí)測(cè)適航噪聲頻譜不規(guī)則性可忽略，無(wú)需識(shí)別和去除偽純音影響；(3)若N和M都存在且N≠M(fèi)，表明實(shí)測(cè)適航噪聲純音修正因子計(jì)算受偽純音影響，令規(guī)章中的步驟(9)的頻帶為pi且不為mi的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，重新計(jì)算純音修正因子；(4)若M不存在，表明真實(shí)飛機(jī)噪聲頻譜中的頻譜不規(guī)則性可忽略，實(shí)測(cè)適航噪聲頻譜的不規(guī)則性是由偽純音引起的，可令實(shí)測(cè)適航噪聲計(jì)算的純音修正因子為零，但為避免過(guò)度修正，令規(guī)章中的步驟(9)的頻帶為pi的1/3倍頻程帶純音修正因子等于零，重新計(jì)算純音修正因子。

基準(zhǔn)條件下純音修正因子計(jì)算中偽純音的識(shí)別和去除仍采用上述方法。以完整調(diào)整方法為例，將飛越噪聲向基準(zhǔn)條件調(diào)整時(shí)，也將倒置傳聲器實(shí)測(cè)及其計(jì)算的飛機(jī)直達(dá)噪聲向基準(zhǔn)條件調(diào)整，然后按上述方法識(shí)別和去除偽純音影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖2所示為某型運(yùn)輸類(lèi)噴氣式民機(jī)適航審定飛越噪聲試驗(yàn)，飛越噪聲測(cè)量點(diǎn)布置在飛機(jī)航跡在地面的投影線(xiàn)上，離地高度為1.2 m，為識(shí)別飛越噪聲測(cè)量中的偽純音，在飛越噪聲測(cè)量點(diǎn)旁布置倒置傳聲器裝置。倒置傳聲器布置在經(jīng)聲學(xué)剛性處理的白色圓形薄鋁板上方，感壓面平行于鋁板且距其上表面0.007 m，鋁板上表面與地面平齊。按照“CCAR-36部”要求，采用改變發(fā)動(dòng)機(jī)功率飛越噪聲測(cè)量點(diǎn)上空目標(biāo)高度的等效試飛方法[11-12]，發(fā)動(dòng)機(jī)功率處于65.2%～99.2%之間(發(fā)動(dòng)機(jī)功率表征參量為修正的N1轉(zhuǎn)速[1])，得到了7組有效的飛行試驗(yàn)結(jié)果。

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)功率為65.2%的飛越噪聲試驗(yàn)的結(jié)果，圖中給出了覆蓋PNLTM-10區(qū)間內(nèi)的結(jié)果。根據(jù)圖3(a)和圖3(b)，在中心頻率為1 000 Hz以下頻帶，實(shí)測(cè)噪聲受地面影響較大，頻譜不規(guī)則性明顯，而從圖3(d)可以看出，直達(dá)噪聲的純音修正因子所處頻帶在750 Hz以下，顯然飛機(jī)真實(shí)的顯著純音和偽純音存在頻帶重合，結(jié)合圖3(c)可以看出，多個(gè)時(shí)刻的純音修正因子受到了偽純音影響。對(duì)比圖3(e)和圖3(d)，若采用規(guī)章中的方法將所有受偽純音影響的頻帶都去除，得到的大部分純音修正因子都不在飛機(jī)真實(shí)顯著純音所處頻帶，也即是出現(xiàn)了過(guò)修正。對(duì)比圖3(e)和圖3(f)，若考慮飛機(jī)真實(shí)純音所處頻帶，將這些頻帶保留，得到的純音修正因子基本與飛機(jī)真實(shí)顯著純音所處頻帶相同，相比于圖3(c)，PNLTM-10dB區(qū)間內(nèi)多個(gè)純音修正因子得到修正，也修正了PNLTM-10區(qū)間的大小(即θ值的范圍)。

圖2 某型運(yùn)輸類(lèi)噴氣式民機(jī)飛越噪聲試驗(yàn)Fig.2 Flyover noise tests of a certain civil transport category jet airplane

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率為65.2%的飛越噪聲試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Flyover noise test results when engine power indicator N1C =65.2%

圖4 飛越噪聲試驗(yàn)的有效感覺(jué)噪聲級(jí)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of EPNL with and without pseudotone consideration in flyover noise tests

不管是飛機(jī)發(fā)出的直達(dá)聲，還是地面反射聲，都被人真實(shí)地聽(tīng)到，基于這一考慮，“CCAR-36部”和“ICAO附件16”等要求除正常的適航噪聲測(cè)點(diǎn)測(cè)量的噪聲外，其余輔助測(cè)點(diǎn)的噪聲均不能參與有效感覺(jué)噪聲級(jí)的計(jì)算。本文的方法僅作為輔助去除偽純音對(duì)純音修正因子計(jì)算影響的手段，并未代替適航噪聲測(cè)點(diǎn)測(cè)量的噪聲來(lái)計(jì)算感覺(jué)噪聲級(jí)，雖然通過(guò)式(6)、式(7)能識(shí)別和量化偽純音影響，但最終并未采用“CCAR-36部”A36.4.3條中的方法，而是采用基于“CCAR-36部”咨詢(xún)通告(附件)和“ICAO ETM”中的等效處理方法的修正方法。在某些情況下，采用本文方法雖然識(shí)別出了偽純音影響，但為了避免過(guò)度修正，仍然保留了那些與飛機(jī)真實(shí)純音頻帶相同的偽純音的影響，最終的有效感覺(jué)噪聲級(jí)中仍包含偽純音對(duì)人聽(tīng)覺(jué)的影響。實(shí)際上，規(guī)章中并未要求完全去除地面反射聲對(duì)有效感覺(jué)噪聲級(jí)的影響，即使在計(jì)算純音修正因子時(shí)能夠完全去除偽純音影響，但計(jì)算有效感覺(jué)噪聲級(jí)用到的瞬間感覺(jué)噪聲級(jí)也包含地面反射影響，規(guī)章中并未對(duì)此作處理要求。

圖4為飛越噪聲試驗(yàn)的去除偽純音影響與不去除偽純音影響的有效感覺(jué)噪聲級(jí)結(jié)果對(duì)比。可以看出，偽純音對(duì)有效感覺(jué)噪聲級(jí)有明顯影響。分析7組飛越噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，在PNLTM-10區(qū)間內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲的純音大多處于2 000 Hz及以下頻帶，與較強(qiáng)的偽純音出現(xiàn)的頻帶多有重合，采用規(guī)章中的方法直接去除偽純音，有時(shí)也將該頻帶的飛機(jī)真實(shí)純音影響去除，即出現(xiàn)了過(guò)修正，得到的有效感覺(jué)噪聲級(jí)和基準(zhǔn)條件下的有效感覺(jué)噪聲級(jí)分別比本文方法低0.06～0.25 EPNdB和0.06～0.29 EPNdB。相比于不去除偽純音影響，采用本文方法得到的有效感覺(jué)噪聲級(jí)低0.11～0.29 EPNdB，基準(zhǔn)條件下的有效感覺(jué)噪聲級(jí)低0.03～0.30 EPNdB。顯然，不去除偽純音的影響導(dǎo)致有效感覺(jué)噪聲級(jí)被高估。本文方法盡可能去除了偽純音對(duì)有效感覺(jué)噪聲級(jí)計(jì)算的影響，又保留了與偽純音頻帶重合的飛機(jī)真實(shí)純音的影響，得到更能真實(shí)反映人在地面上對(duì)飛機(jī)噪聲感覺(jué)的噪聲水平。

需要說(shuō)明的是，由于飛機(jī)噪聲(尤其是波長(zhǎng)相對(duì)短的高頻噪聲)在傳播過(guò)程中易受試驗(yàn)環(huán)境影響[10]，而試驗(yàn)環(huán)境難以完全保持理想狀態(tài)，因此通過(guò)布置倒置傳聲器測(cè)量噪聲來(lái)識(shí)別和去除偽純音影響過(guò)程中，采用了以下處理：(1)設(shè)置高頻截?cái)囝l帶，不修正偽純音對(duì)高頻噪聲測(cè)量的影響，本文選擇截?cái)囝l帶為6 300 Hz；(2)盡可能保證兩個(gè)傳聲器測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性，使倒置傳聲器與適航傳聲器之間的距離盡可能近，同時(shí)又不對(duì)適航噪聲測(cè)量產(chǎn)生明顯干擾[2]；(3)嚴(yán)格按照“CCAR-36部”等規(guī)章對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求開(kāi)展試驗(yàn)，進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)測(cè)量。

4 結(jié) 論

本文提出了一種識(shí)別和去除偽純音對(duì)有效感覺(jué)噪聲級(jí)計(jì)算影響的試驗(yàn)和分析方法，并結(jié)合某型民機(jī)噪聲適航合格審定試驗(yàn)及其試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文提出的方法能可靠地識(shí)別偽純音對(duì)純音修正因子的影響，并采用“CCAR -36部”和其附件以及“ICAO ETM”中的方法，對(duì)其應(yīng)用條件進(jìn)行限定，去除地面影響帶來(lái)的偽純音對(duì)純音修正因子計(jì)算的影響，避免了偽純音影響識(shí)別不精確和容易出現(xiàn)過(guò)修正的問(wèn)題，得到更能反映人在地面上對(duì)飛機(jī)真實(shí)噪聲感覺(jué)的有效感覺(jué)噪聲級(jí)。本文提出的方法易于飛行試驗(yàn)和計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)，符合“CCAR-36部”和“ICAO附件16”的要求，可為國(guó)產(chǎn)其它型號(hào)飛機(jī)噪聲型號(hào)和適航合格審定提供有益參考。