航空器航跡噪聲預(yù)測模型研究

航空器航跡噪聲預(yù)測模型研究

現(xiàn)在，中國經(jīng)濟水平快速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，人民移動方式發(fā)生了重大變化，豐富了中國航空業(yè)的發(fā)展。機場飛機起降次數(shù)增加帶來的噪聲問題日益突出,給周邊人民日常生活和工作帶來了一定的影響。所以,科學(xué)準確地預(yù)測航空器起降帶來的噪聲的影響范圍和噪聲強度尤為重要。國內(nèi)外對此問題展開了較為深入的研究,其中德國和美國取得了一些較為矚目的成就。在20世紀70年代,德國率先研究出了計算飛機噪聲煩擾度的方法,于1975年發(fā)布了第一款軟件AzB。之后,美國空軍研發(fā)出軟件NoiseMap,其應(yīng)用范圍也比較廣,最初試用于空軍機場的噪聲預(yù)測,現(xiàn)在在許多國家的民用機場也得到了廣泛的應(yīng)用。中國對機場附近噪聲的測量和標準也做出了相應(yīng)的研究。許多文獻對航空器噪聲的評價和預(yù)測進行了詳細的介紹,并給出了一些評價參數(shù)的計算公式以及相關(guān)的噪聲計算的修正方法。在應(yīng)用方面,首都機場股份有限公司采取了一系列的措施,包括安裝運行機場噪聲監(jiān)測系統(tǒng),花費1.2億元在機場附近社區(qū)采取隔音措施等。在實際運用過程中發(fā)現(xiàn),飛行航線情況錯綜復(fù)雜,飛機在沿航線飛行過程中的飛行狀態(tài)(如速度、推力、爬升角度等)不斷變化。其飛行航跡可能由不同長度的彎道和直線以各種方式交替組成,計算噪聲過程中對于如何計算預(yù)測點距離相應(yīng)航線的最短距離,如何分析航空器在不同飛行狀態(tài)的情況,需要有一套迅捷的完整的計算模型,而僅知道部分噪聲評價量的計算公式很難對機場周圍的噪聲情況進行客觀準確的評估。本文通過分析航空器飛行航跡的幾何特點,建立一個適用于各種機型和不同航跡的噪聲預(yù)測模型,通過實驗驗證該模型在航空器噪聲預(yù)測方面達到了準確和快速的效果,為機場噪聲的預(yù)測提供了依據(jù)和支持。1加航跡的結(jié)構(gòu)在飛機適航過程中,涉及大量的飛行性能相關(guān)的工作,主要有基準噪聲航跡的計算、飛行航跡的測量以及飛行航跡的修正。計算航空器噪聲需要許多參數(shù),其中航跡的確定對預(yù)測該條航跡周圍的噪聲起到了尤為重要的作用。航跡有直線型的(包括起飛滑跑、直線仰飛、直線平飛、直線俯飛以及直線著陸等),曲線型的(包括左右轉(zhuǎn)彎爬升、左右轉(zhuǎn)彎平飛以及左右轉(zhuǎn)彎下滑等),也有二者都有的,因此文中將航跡看成直線段航跡和曲線段航跡的組合。每個航跡段都有穩(wěn)定的速度、推力和仰角等參數(shù)。這兩種基本航跡段就是飛行器航線組成的基本單位,各種飛行航跡均可由這兩種航跡段排列組合構(gòu)成。由此可以看出,不同的航跡有相似性,差異在于其構(gòu)成航跡單元的數(shù)量和排列不同。計算整段航跡影響區(qū)域的噪聲情況只需確定該航跡的航跡單元組成情況,分別計算航跡單元影響下的噪聲,在此基礎(chǔ)上進行疊加便可。圖1所示為一段航空器起飛的航跡示意圖,可將其分成①、②、③和④4段,其中③為曲線段。若要計算P點的噪聲,則先分別計算4段航跡對P點的噪聲,再將4段的貢獻值綜合起來即可得到。2建立直角坐標系航空器噪聲預(yù)測模型的建立首先需要建立合適的坐標系,本文建立如下直角坐標系:原點為跑道中心線的起點,X軸沿跑道方向的中心線,Y軸沿垂直跑道中心線的方向,Z軸沿高度方向。2.1機械噪聲曲線擬合直線段航跡示意圖如圖2(a)所示,在計算過程當中需要獲悉的參數(shù)有:航跡段序號i,航跡段的水平仰角θi,終端高度zBi,航線AiBi到X軸的水平轉(zhuǎn)角αi(αi<π),終端功率WBi,終端速度VBi,監(jiān)測點與航跡段平面投影的最短距離Li;在航空器平飛時,還須確認航空器水平飛行的航程Si。該航跡段的起點坐標為Ai(xAi,yAi,zAi),終點坐標為Bi(xBi,yBi,zBi),實際情況中每個點的坐標由該點的緯度、經(jīng)度和高度表示,即Ci(li,gi,hi)。計算航跡附近的噪聲值需要確定該段航跡的影響區(qū)域,將直線段航跡映射在平面上如圖2(b)所示。在確定直線段影響區(qū)域時需要確定的是航跡水平轉(zhuǎn)角αi的大小。不同的αi對應(yīng)不同的影響范圍,具體如下:式中:k=tanαi;k′=-1/k。在確定每段航跡的影響區(qū)域時,需要計算影響區(qū)域的噪聲值。確定了監(jiān)測點和航跡的具體位置關(guān)系之后,有兩種方法可以得到該點的噪聲值:一種是利用NPD(NoisePowerDistance)數(shù)據(jù)庫,根據(jù)斜距和相應(yīng)航跡段的推力,在對應(yīng)機型的NPD數(shù)據(jù)庫中查出對應(yīng)的噪聲值大小;另一種方法是將斜距代入具體機型的噪聲曲線擬合表達式計算。大部分機型通常采用二次多項式進行噪聲曲線擬合,也就是說在機型和功率固定的前提下,找到有效感覺噪聲級和斜距之間滿足的二次多項式關(guān)系。例如,在某波音737機型的不同功率下,有效感覺噪聲級與斜距的關(guān)系為這種噪聲曲線擬合表達式是對工程測量中許多測量值進行擬合得到的,可以體現(xiàn)出噪聲變化的大致過程。不同機型噪聲數(shù)據(jù)量的不足,導(dǎo)致現(xiàn)在適用于不同機型的噪聲曲線公式遠遠不夠。圖3顯示的是監(jiān)測點和航跡段在平面投影的位置關(guān)系,圖4是其空間剖面圖,可以根據(jù)式(8)~式(11)計算出監(jiān)測點P的斜距。式中:Ri為P點的斜距;D1、D2和D3分別為地面投影三角形的3條邊(見圖3);HMSLA為機場的海拔高度;HMSLC為監(jiān)測點的海拔高度;γi為地面投影三角形中的一個角,計算式為將按照上述方法計算所得的監(jiān)測點的斜距代入NPD數(shù)據(jù)庫中或者代回曲線的模擬二次多項式中便可以得到該點的噪聲值。2.2航跡影響區(qū)域的確定在計算曲線段航跡時需要獲悉的參數(shù)有:航跡段序號i,起點坐標Ai(xAi,yAi,zAi),終點坐標Bi(xBi,yBi,zBi),航跡段水平仰角θi,航線AiBi到X軸的水平轉(zhuǎn)角αi(αi<π),終端功率WBi,終端速度VBi,曲線段近似圓圓心的坐標Oi(xOi,yOi)以及圓半徑ri。圖5(a)為曲線段航跡剖面圖,圖5(b)為其地面投影圖,曲線段航跡取圓弧兩端點與圓心之間連線所夾的區(qū)域以及其對角區(qū)域為其影響區(qū)域,根據(jù)中心點Oi(xOi,yOi)坐標和起點Ai、終點Bi的位置關(guān)系來確定航跡的影響區(qū)域,具體分為以下4種情況:式中:。在計算曲線段航跡影響范圍內(nèi)的噪聲情況時,需要確定監(jiān)測點具體落位情況,如圖6所示。當監(jiān)測點落在曲線段航跡的扇形范圍時(見圖7(a),其地面映射如圖6(a)所示),斜距Ri的計算方法為當監(jiān)測點落在曲線段扇形區(qū)域外時(見圖7(b),其地面映射如圖6(b)所示),斜距Ri計算方法為式中:,LOiA、LOiP和LAP分別表示兩點之間的距離。按照上述方法計算出來的噪聲值,經(jīng)過適當?shù)男拚蟊憧梢源碓摫O(jiān)測點的具體噪聲情況。3監(jiān)測點噪聲傳播通過兩種方法驗證所提模型的計算結(jié)果:一種是與NoiseMap軟件下模擬同樣飛行過程的結(jié)果進行對比;另一種是與北京機場實測數(shù)據(jù)中抽離出的航跡以及相應(yīng)的噪聲數(shù)據(jù)進行對比分析。如圖8所示,用NoiseMap軟件模擬A319飛機降落的一段直線段航跡,按照本文航跡分割的原理將其分成4小段,分段的依據(jù)為飛機在飛行過程中的推力變化情況。在該航跡段的周邊任意設(shè)置5個興趣點作為監(jiān)測點(P1,P2,P3,P4,P5)。圖9給出模型計算值和軟件模擬值的對比圖。噪聲計算過程是:將數(shù)據(jù)代入模型里求出監(jiān)測點和航跡的斜距,之后在NPD數(shù)據(jù)庫中查找該機型的斜距和推力已知的條件下該點的噪聲值。可以看出模型計算值普遍高于軟件模擬值,分析推測其原因是:模型沒有考慮氣候(溫度、濕度、氣壓)和地形因素等對噪聲傳播的影響,而軟件在這方面有適當?shù)目紤]。從圖9可以看出,在監(jiān)測點距離航跡斜距較小的地方,計算值和軟件模擬值之間的差距較小,最小的差距是1.98dB。由于人耳的分辨范圍在3dB之外,只有監(jiān)測點P1超出這個范圍,所以預(yù)測結(jié)果比較準確。圖10給出NoiseMap軟件模擬的F16A飛機起飛時的一段航跡。其中監(jiān)測點P1、P2和P3在直線段航跡的影響范圍內(nèi),而P4和P5在曲線段的影響范圍內(nèi),P4在曲線段的扇形范圍內(nèi),P5在扇形范圍外。圖11是模型計算值和軟件模擬值的對比分析。可以看出,在斜距較小的P1、P4兩點的噪聲值差異最小,其中在P1點的差異只有1.67dB。在曲線段航跡影響的2個監(jiān)測點,模型預(yù)測值低于軟件模擬值,差距分別是1.70dB和6.57dB,這種差距受氣候和飛機側(cè)向衰減因素的影響,其中飛機側(cè)向衰減因素要占較大成分。以上都是航跡段對監(jiān)測點噪聲的平均影響,下面將每段航跡細分,從而體現(xiàn)出飛機瞬時對監(jiān)測點的噪聲影響。下例是北京機場監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)和模型計算值的對比。圖12是北京機場的噪聲監(jiān)測點分布圖,包含編號51~69共19個監(jiān)測點。其中有一條由34個航跡點構(gòu)成的直線段航跡,這段航跡由A320飛機從630m下降到140m過程中每隔3~4s留下來的位置點組成。其中影響的監(jiān)測點號依次有P61、P60、P62和P59。在此次噪聲事件影響的20s左右的時間里,監(jiān)測設(shè)備記錄了期間的噪聲變化情況,按照飛機在此過程中推力的變化將該航跡分成4段,如圖12中黑色虛線段表示。分別計算每小段(8、9或10個位置點組成)航跡對影響范圍內(nèi)的監(jiān)測點的噪聲影響,并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析,結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯鲈谇安炕蛘呶膊康牟町惐容^大,基本在3dB以上,只有在噪聲值最高點的差異相對較小,可見對相同推力段的航跡進行細分后,預(yù)測的準確率有明顯的下降。根據(jù)其NPD數(shù)據(jù)庫計算飛機航跡的噪聲,數(shù)據(jù)庫中飛機的推力是離散值,在一定推力下對應(yīng)的斜距也是離散的。由于飛機的NPD噪聲數(shù)據(jù)可以模擬成曲線,這樣對于有些推力值或者斜距不在相應(yīng)表中的情況,需要對其進行插值計算,但是分別進行插值會對計算結(jié)果的準確率造成較大影響。所以為了保證預(yù)測結(jié)果的準確性,對航跡的分割按照航跡段上的推力和NPD數(shù)據(jù)庫中推力相匹配的原則,只對監(jiān)測點的斜距與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)不匹配的點的噪聲值采用距離反比插值算法計算。4噪聲預(yù)測的準確性1)根據(jù)模型計算結(jié)果和軟件模擬結(jié)果的對比,無論是在直線段航跡還是在曲線段航跡,任取其中的5個監(jiān)測點,其中有4個監(jiān)測點的噪聲偏差在3dB之內(nèi),可以看出該模型在航跡段對監(jiān)測點的總體噪聲預(yù)測較為準確。2)由該模型和實測數(shù)據(jù)的對比分析結(jié)果可以看出,將每