李凱翔，代承霖，張飛，白春玉，牟讓科

1. 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065 2. 航空聲學(xué)與振動(dòng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065

安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和舒適性是評(píng)價(jià)民用飛機(jī)的重要指標(biāo)。隨著民用飛機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今客機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)已從最初的飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)逐步向經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和舒適性設(shè)計(jì)過渡。為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，民機(jī)設(shè)計(jì)廠商對(duì)艙室舒適性的重視程度日益增加。影響民用飛機(jī)艙室舒適性的因素主要有：振動(dòng)、噪聲、氣壓與氣壓脈動(dòng)、溫濕度、空氣品質(zhì)、活動(dòng)空間、座椅舒適度、照明、色彩等。

國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)艙室內(nèi)熱舒適性的研究較多。劉毓迪等利用計(jì)算流體力學(xué)研究不同個(gè)人通風(fēng)送風(fēng)溫度下飛機(jī)艙室內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布，并結(jié)合人體平均皮膚溫度的評(píng)價(jià)方法對(duì)乘客熱舒適性進(jìn)行研究。孫智等修正了飛機(jī)艙室內(nèi)熱舒適性預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)指標(biāo)中的輻射換熱項(xiàng)，提出了適用于評(píng)價(jià)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)部熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

對(duì)于艙室振動(dòng)，目前CCAR25部中僅規(guī)定“艙內(nèi)設(shè)備的振動(dòng)和噪聲特性不得影響飛機(jī)的安全運(yùn)行”，卻并未規(guī)定振動(dòng)的具體物理特性及其對(duì)應(yīng)的舒適度等級(jí)。GJB67.8A中給出了人機(jī)工效和舒適性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，而且給出了振動(dòng)暴露時(shí)間對(duì)舒適性造成的影響。

對(duì)于通用載具內(nèi)部全身振動(dòng)(WBV)舒適性的測(cè)試、評(píng)估和評(píng)價(jià)已較為成熟，并建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。Burstr?m等通過試驗(yàn)的方式評(píng)估波音737-800型號(hào)飛機(jī)在著陸過程中，客艙內(nèi)部關(guān)于振動(dòng)的健康風(fēng)險(xiǎn)。通過測(cè)量客機(jī)艙室內(nèi)前排和后排乘務(wù)員座椅處的振動(dòng)加速度得出，在著陸過程中主要振動(dòng)來自于垂直方向(人體坐標(biāo)系軸)，并且后排座椅的振動(dòng)大于前排，以垂直方向?yàn)槔?，后排座椅處的頻率計(jì)權(quán)加速度和振動(dòng)劑量值(Vibration Dose Value，VDV)比前排高50%以上。結(jié)合空乘人員在著陸過程中遭受多次振動(dòng)沖擊的評(píng)估結(jié)果，飛機(jī)前排的空乘人員的健康風(fēng)險(xiǎn)處于“較低”水平，而飛機(jī)后排的健康風(fēng)險(xiǎn)增加到“中等”水平。K?sin等研究了某型直升機(jī)上WBV的暴露情況及振動(dòng)與腰痛的關(guān)系。試驗(yàn)共測(cè)試6架直升機(jī)，在連續(xù)飛行中測(cè)量計(jì)權(quán)加速度平均值，并將這些飛行試驗(yàn)分為15個(gè)不同的工況進(jìn)行分析。K?sin等發(fā)現(xiàn)，在8小時(shí)工作日內(nèi)估計(jì)得到的平均計(jì)權(quán)振動(dòng)值低于歐盟和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則約束值，盡管振動(dòng)水平較低，但直升機(jī)飛行員腰痛的發(fā)生率較高，這可能與直升機(jī)飛行員的姿勢(shì)以及全身振動(dòng)有關(guān)。

程文華和呂繼航研究了某背負(fù)式單發(fā)螺旋槳飛機(jī)座艙振動(dòng)舒適性，通過試飛測(cè)試，得出座椅處大幅值、高頻率的振動(dòng)來自于螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)引起的諧振。在此振動(dòng)水平下，至少滿足了飛行員連續(xù)飛行4 h的舒適性要求。Ciloglu等在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下評(píng)估了起飛、著陸和湍流中巡航3種飛行狀態(tài)下的全身振動(dòng)和動(dòng)態(tài)座椅舒適性。通過振動(dòng)臺(tái)回放振動(dòng)信號(hào)，分別測(cè)量經(jīng)濟(jì)艙座椅和商務(wù)艙座椅各位置處的加速度信號(hào)，然后分別基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-1：1997和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6841-1987計(jì)算全身振動(dòng)并對(duì)舒適性進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)得出，著陸時(shí)整體動(dòng)態(tài)座椅舒適度最低。根據(jù)不舒適度評(píng)價(jià)表，3種不同的飛行狀態(tài)下全身振動(dòng)處于“較不舒適”范圍內(nèi)。商務(wù)艙座椅的全身振動(dòng)暴露等級(jí)顯著小于經(jīng)濟(jì)艙座椅，并且商務(wù)艙座椅顯著增加了座椅舒適性。張飛等根據(jù)飛機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過頻率裁剪和調(diào)整幅值的方式設(shè)計(jì)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)需要的振動(dòng)激勵(lì)，并完成主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得出該型飛行客艙地板200 Hz以下的頻率是引起人體不舒適的主要原因。從加速度幅值上看，將實(shí)測(cè)譜的幅值降低至50%時(shí)，才能使大部分人的感覺達(dá)到較為舒適的水平。

從上述研究可以看出，目前針對(duì)大型客機(jī)艙室典型飛行狀態(tài)下各區(qū)域振動(dòng)對(duì)人體影響評(píng)價(jià)研究較少，且多為振動(dòng)對(duì)健康影響的評(píng)估，鮮有針對(duì)舒適性的評(píng)估。本研究針對(duì)某大型客機(jī)開展了全飛行剖面的振動(dòng)環(huán)境飛行測(cè)試，獲取了駕駛艙/客艙多區(qū)域多測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)加速度和對(duì)應(yīng)的飛行參數(shù)，并依據(jù)ISO 2631-1：1997國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同狀態(tài)不同區(qū)域的振動(dòng)舒適性進(jìn)行了評(píng)估，為民用客機(jī)艙室舒適性設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 全身振動(dòng)計(jì)算方法

本文主要研究民用客機(jī)飛行運(yùn)營(yíng)過程中，客艙典型工況下不同區(qū)域全身振動(dòng)的計(jì)算以及振動(dòng)舒適性的評(píng)估。典型工況主要包含：滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸滑跑和滑行等7種飛行狀態(tài)，以及駕駛艙、客艙前排、中排和后排4個(gè)區(qū)域，并分別采用ISO 2631-1：1997國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提供的舒適性頻率計(jì)權(quán)方法對(duì)各方向加速度進(jìn)行疊加，最終得到各工況下的全身振動(dòng)。

1.1 全身振動(dòng)的基本評(píng)價(jià)方法

全身振動(dòng)是將3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處(座椅面(坐墊)、座椅靠背和腳部地面)，3個(gè)方向(人體坐標(biāo)軸下的、、軸，如圖1所示)計(jì)權(quán)后的加速度疊加得到的一個(gè)物理量。常用的表征振動(dòng)評(píng)估值計(jì)權(quán)后加速度的均方根值，其表達(dá)式為

圖1 人體基本中心坐標(biāo)系(坐姿)Fig.1 Basicentric axes of human body (seated position)

(1)

式中：()為平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)在時(shí)域的計(jì)權(quán)加速度；為加速度的測(cè)量時(shí)間，在本文中為60 s。計(jì)權(quán)加速度的計(jì)算方法為：首先，依據(jù)ISO 2631-1：1997標(biāo)準(zhǔn)中給出的1/3倍頻程帶寬，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，獲得各個(gè)帶寬內(nèi)的時(shí)域信號(hào)；然后，參考1.3節(jié)中的計(jì)權(quán)系數(shù)，對(duì)各信號(hào)進(jìn)行計(jì)權(quán)；最后，將計(jì)權(quán)后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行求和，從而得到時(shí)域的計(jì)權(quán)加速度。

全身振動(dòng)是座椅面、座椅靠背和腳部地板3個(gè)位置處振動(dòng)影響下的綜合考量，同時(shí)每個(gè)位置處包含對(duì)應(yīng)、和軸3個(gè)方向的振動(dòng)。全身振動(dòng)值的計(jì)算表達(dá)式為

(2)

式中：為全身振動(dòng)加速度均方根值；r.m.s.為某一方向下的計(jì)權(quán)后加速度均方根值；為與r.m.s對(duì)應(yīng)的乘數(shù)因子(Multiplying factor)，取值如表1所示。

表1 乘數(shù)因子Table 1 Multiplying factors

1.2 高波峰因數(shù)振動(dòng)的處理方法

ISO 2631-1：1997中規(guī)定了波峰因數(shù)(Crest Factors, CF)，其定義為頻率計(jì)權(quán)加速度信號(hào)的最大瞬時(shí)峰值與其均方根值的比的模。波峰因數(shù)可以用來研究基本評(píng)價(jià)方法是否適用于描述振動(dòng)對(duì)人體影響的嚴(yán)酷程度。對(duì)波峰因數(shù)≤9的振動(dòng)，基本方法中的均方根值一般是有效的；當(dāng)波峰因數(shù)>9時(shí)，所評(píng)價(jià)的加速度信號(hào)中的沖擊較為明顯，需要統(tǒng)計(jì)最大瞬時(shí)振動(dòng)值(Maximum Transient Vibration Value，MTVV)和振動(dòng)劑量值(VDV)。

最大瞬時(shí)振動(dòng)值由()時(shí)間歷程上的最大值給定。()的定義式為

(3)

式中：()為瞬時(shí)頻率計(jì)權(quán)加速度；為運(yùn)行平均積分時(shí)間；為時(shí)間(積分變量)；為觀測(cè)時(shí)間(瞬時(shí)時(shí)間)。

最大瞬時(shí)振動(dòng)值定義為

MTVV=max[()]

(4)

也就是在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)所讀得()的最大值。

與加速度均方根值相比，振動(dòng)劑量值對(duì)峰值更為敏感。四次方振動(dòng)劑量值的定義式為

(5)

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)MTVV和VDV超過式(6)和式(7)給出的閾值時(shí)，附加評(píng)價(jià)方法對(duì)評(píng)判振動(dòng)對(duì)人體影響就變得很重要。

(6)

(7)

1.3 頻率計(jì)權(quán)

頻率計(jì)權(quán)是一個(gè)模擬人體對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象響應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。由于人對(duì)不同頻率成分振動(dòng)的敏感程度是不同的，因此可以通過1/3倍頻程下的頻率計(jì)權(quán)方式將原振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為更能準(zhǔn)確表達(dá)人體所感受到加速度水平的物理量。

ISO 2631-1：1997中給出的處于坐姿狀態(tài)下的1/3倍頻程頻率計(jì)權(quán)值分別為、和，如圖2所示。飛行測(cè)試中航向?yàn)橄?，展向?yàn)橄颍瓜驗(yàn)橄?，與圖1所示坐標(biāo)系一致。那么為坐墊向與地板、、方向的計(jì)權(quán)值，為坐墊、向和座椅靠背、向計(jì)權(quán)值，為座椅靠背向計(jì)權(quán)值。

圖2 計(jì)權(quán)值Fig.2 Weighting factors

可以看出，人體振動(dòng)舒適性考慮的頻率范圍為0.1～400 Hz。需要指出的是，標(biāo)準(zhǔn)中雖然指出了對(duì)舒適性影響的振動(dòng)頻率為0.5～80 Hz，但給出的頻率計(jì)權(quán)范圍為0.1～400 Hz?？紤]到近年來的多項(xiàng)研究都表明，80 Hz以上振動(dòng)依然會(huì)顯著影響舒適性感受。因此本文采用了中心頻率為0.1～400 Hz的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了舒適性的評(píng)估。

另外，也可以看出，低頻振動(dòng)對(duì)舒適性的影響遠(yuǎn)大于高頻振動(dòng)，如中心頻率400 Hz對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)系數(shù)值為0.001 95，不到中心頻率6.3 Hz相應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)1.054的1/500。

1.4 人體振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

ISO 2631-1:1997標(biāo)準(zhǔn)將計(jì)權(quán)加速度分為6檔，相應(yīng)給出了從“沒有不舒適”到“極不舒適”的6檔人體主觀感受。表2給出了計(jì)權(quán)加速度和人體主觀感受之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 振動(dòng)環(huán)境下人體舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Comfort reactions to vibration environments

2 飛行測(cè)試

振動(dòng)加速度信號(hào)采集于某型客機(jī)實(shí)際飛行過程，采集了飛行全過程的駕駛艙/客艙加速度響應(yīng)，根據(jù)飛行參數(shù)，分別截取了滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸和滑行等7個(gè)飛行狀態(tài)下穩(wěn)定的信號(hào)，信號(hào)時(shí)長(zhǎng)60 s。各個(gè)飛行狀態(tài)進(jìn)行如下定義。

1) 滑跑：起飛前發(fā)動(dòng)機(jī)未開加力，飛機(jī)在跑道滑行階段。

2) 起飛：起飛前發(fā)動(dòng)機(jī)開加力，飛機(jī)加速在跑道滑行階段。

3) 爬升：起落架入艙后，飛行高度未達(dá)到巡航高度階段。

4) 巡航：飛機(jī)進(jìn)入巡航高度階段。

5) 下降：飛機(jī)接近目的地，離開巡航階段，降低飛行高度階段。

6) 著陸：飛機(jī)著陸后，發(fā)動(dòng)機(jī)打開反推階段。

7) 滑行：飛機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)反推，滑行至停機(jī)坪階段。

振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量位置分別位于駕駛艙、客機(jī)艙內(nèi)前排、中排和后排座椅處(如圖3所示)。針對(duì)每一座椅位置，分別將對(duì)應(yīng)加速度傳感器固定在座椅面、座椅靠背和腳部地面處，并對(duì)人體坐標(biāo)軸下(航向)、(展向)、(垂向)3個(gè)方向的加速度進(jìn)行測(cè)量。腳部地面處的三軸加速度傳感器型號(hào)為PCB 356B18(7#)，通過粘貼的方式固定在乘客腳部?？康牡匕迳?。為準(zhǔn)確測(cè)量具有柔性表面的座椅面和座椅靠背處的加速度信號(hào)，將坐墊傳感器(PCB 356B41，4#，5#)固定在一般乘客與座椅接觸的位置，并且在座椅上分別放置重75 kG的假人以模擬乘坐狀態(tài)。測(cè)試中同時(shí)監(jiān)測(cè)了扶手處的振動(dòng)信號(hào)(PCB 356B18，8#)。振動(dòng)信號(hào)由LMS SCADAS Ⅲ 160通道數(shù)采集系統(tǒng)記錄，采樣頻率為5 120 Hz。以中排座椅為例，其靠背，座椅面以及腳部地面和扶手處的加速度傳感器安裝情況如圖4所示。

圖3 加速度測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of mounting locations of accelerometers

圖4 座椅加速度計(jì)布置情況Fig.4 Accelerometers arrangement of cockpit seat

3 艙室振動(dòng)環(huán)境舒適性水平分析

3.1 駕駛艙/客艙振動(dòng)環(huán)境

對(duì)典型飛行狀態(tài)下駕駛艙/客艙的振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行了分析，由于采集的數(shù)據(jù)包含不同飛行狀態(tài)、不同區(qū)域、不同測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大。限于篇幅，本文僅給出了巡航階段各典型區(qū)域的加速度功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)，如圖5所示。

圖5 巡航階段各典型區(qū)域的加速度功率譜密度Fig.5 Acceleration PSD of typical regions during cruise phase

3.2 峰值因數(shù)

由于波峰因數(shù)直接影響舒適性評(píng)估基本方法是否適用，因此首先對(duì)7個(gè)典型飛行狀態(tài)的波峰因數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，7個(gè)典型飛行狀態(tài)的峰值因數(shù)全部小于9。因此，采用計(jì)權(quán)加速度的基本評(píng)價(jià)方法可以用來評(píng)估駕駛艙/客艙振動(dòng)在各飛行階段的舒適性。

圖6 波峰因子Fig.6 Crest factors

3.3 客艙振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3.1 客艙振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采用式(2)計(jì)算得到的全身計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度均方根值(RMS)如表3所示。將不同飛行階段各區(qū)域的全身計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度值由大到小進(jìn)行排序，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，總體來看，駕駛艙的振動(dòng)計(jì)權(quán)值最大，其次為后排區(qū)域，前排和中排的振動(dòng)計(jì)權(quán)值較小，其中中排區(qū)域在絕大多數(shù)飛行階段振動(dòng)計(jì)權(quán)都為最小。

表3 全身振動(dòng)加速度均方根值Table 3 Vibration total value of weighed RMS acceleration m/s2

表4 不同飛行階段全身振動(dòng)加速度均方根值排序Table 4 Ranking of WBV acceleration RMS during different flight phases

表5給出了不同區(qū)域全狀態(tài)下的計(jì)權(quán)加速度均值與中位數(shù)。表6給出了不同飛行狀態(tài)所有區(qū)域計(jì)權(quán)加速度的均值和中位數(shù)。將全身計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度值按照從小到大進(jìn)行排序，無論統(tǒng)計(jì)量為均值或中位數(shù)，排序是相同的。從客機(jī)不同區(qū)域的計(jì)權(quán)加速度來看，其排序順序?yàn)椋褐信抛?前排座椅<后排座椅<駕駛艙，即中排座椅區(qū)域計(jì)權(quán)振動(dòng)值最小，駕駛艙最大。從不同飛行狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)計(jì)權(quán)加速度來看，其排序順序?yàn)椋貉埠?下降<滑行<爬升< 滑跑<起飛<著陸。

表5 不同區(qū)域全身振動(dòng)加速度均方根值的均值和中位數(shù)Table 5 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS at different positions m/s2

表6 不同狀態(tài)全身振動(dòng)加速度均方根值的均值和中位數(shù)Table 6 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS in different flight phases m/s2

3.3.2 客艙振動(dòng)舒適性水平統(tǒng)計(jì)結(jié)果

按照表2所介紹的振動(dòng)環(huán)境下人體舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)，將全艙位不同飛行階段的振動(dòng)舒適性進(jìn)行了評(píng)估，并采用色塊圖的形式對(duì)舒適性進(jìn)行了區(qū)分，如圖7所示。

圖7 不同飛行階段不同位置的振動(dòng)舒適性色塊圖Fig.7 Colormap of vibration comfort level at different positions during different flight phases

根據(jù)舒適性色塊圖，從各飛行階段角度來看，滑跑、爬升、巡航、下降和滑行階段的駕駛艙/客艙基本處于“沒有不舒適”和“有點(diǎn)不舒適”狀態(tài)，艙室的舒適性較好，尤其是占據(jù)客機(jī)大部分飛行階段的巡航階段，所有艙位都達(dá)到“沒有不舒適”的最低等級(jí)，但滑跑階段的駕駛艙振動(dòng)舒適性較差，達(dá)到“非常不舒適”等級(jí)；起飛階段，艙室振動(dòng)舒適性較差，駕駛艙和客艙后排座椅都達(dá)到了“不舒適”等級(jí)，前排和中排座椅區(qū)域，也達(dá)到了“比較不舒適”等級(jí)；著陸階段，艙室舒適性最差，駕駛艙和后排都達(dá)到了“非常不舒適”的等級(jí)，前排座椅和中排座椅也分別處于“不舒適”和“比較不舒適”狀態(tài)。

從艙位來看，中排區(qū)域的舒適性最佳，在多個(gè)飛機(jī)階段皆為“沒有不舒適”和“有點(diǎn)不舒適”等級(jí)。前排區(qū)域舒適性也相對(duì)較好，只有在著陸階段達(dá)到了“不舒適”等級(jí)；而駕駛艙和后排相對(duì)較差，尤其是駕駛艙在滑跑、起飛和著陸階段都呈現(xiàn)出“不舒適”或“非常不舒適”等級(jí)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)某客機(jī)駕駛艙/客艙(前、中、后排)區(qū)域座椅的加速度飛行實(shí)測(cè)，對(duì)該客機(jī)在滑跑、起飛、爬升、巡航、下降、著陸和滑行等7個(gè)典型狀態(tài)的振動(dòng)進(jìn)行了分析，并根據(jù)ISO 2631-1：1997的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了各狀態(tài)各區(qū)域的全身振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)舒適性等級(jí)，為開展客機(jī)艙室的振動(dòng)環(huán)境設(shè)計(jì)與評(píng)估提供給了依據(jù)。