杨宗耀，闫国华

(中国民航大学航空工程学院，天津300300)

降低飞机边线有效感觉噪声级的方法

杨宗耀，闫国华

(中国民航大学航空工程学院，天津300300)

为了使新飞机能够满足越来越严格的噪声适航审定要求，需要降低飞机三个噪声测量点的有效感觉噪声级。以边线噪声测量点为研究对象，研究飞机边线有效感觉噪声级的影响因素，提出降低飞机边线有效感觉噪声级的方法。采用飞机边线噪声预测算法进行方法有效性验证，结果表明增大发动机涵道比、减小飞机起飞推力并增加机翼面积是一种可行的降低飞机边线有效感觉噪声级方法。

声学；飞机；有效感觉噪声级；边线；降噪方法

飞机噪声不仅影响乘客乘坐飞机的舒适性，更是危害着机场工作人员及周边居民的健康[1]。国际民航组织从1966年开始采用审定的方法对新飞机进行噪声限制，飞机三个噪声测量点的有效感觉噪声级不能超过被限定的最大噪声级，否则不予颁发飞机适航证[2]。随着航空业的发展以及人们环保意识的提高，国际民航界对民机噪声水平提出了更高的要求，因此需要努力寻求降低飞机有效感觉噪声级的方法，以适应更加严格的噪声适航要求。文中以边线噪声测量点为研究对象，研究降低飞机有效感觉噪声级的方法，并应用边线噪声预测算法进行方法有效性验证，为将来研制更加安静的飞机提供理论指导。

1 飞机有效感觉噪声级

有效感觉噪声级（Effective perceived noise level,EPNL）是飞机噪声合格审定中的基本评价尺度，定义为经过持续时间修正和纯音修正后的感觉噪声级，单位为EPNdB[3]。飞机飞越观察者上方时，飞机噪声的音调是随之改变的，另外，飞机飞越观察者上方时的持续时间长短以及噪声中的纯音成分或窄带分量都会影响人们对噪声的厌烦程度，因此航空界使用有效感觉噪声级来评价飞机噪声的影响等级，以三个噪声测量点的有效感觉噪声级作为飞机噪声适航的审定标准[4]。

根据飞机噪声适航审定的相关飞行程序规章，测量飞机边线噪声级时发动机需始终处于最大推力状态，并且对相应起飞航迹作了明确规定[5]。为了计算飞机的有效感觉噪声级，必须测量声压的三个基本物理量：声强度级，频率分布和时间变化，进而才能建立评估人们对航空器噪声主观反应的有效感觉噪声级的算法。有效感觉噪声级取决于飞机噪声源和噪声持续时间。

2 飞机主要噪声源

飞机飞行时产生的噪音来自发动机和机体两个部分。涡扇发动机噪声源包括风扇压气机噪声源、燃烧噪声源、涡轮噪声源以及喷气流噪声源；机体噪声源主要来自襟翼、缝翼、吊舱、尾翼和起落架等部分[6]。飞机各部分噪声源对边线有效噪声级影响如图1所示。

图1 飞机边线测量点主要噪声源

从图1可知，发动机喷流噪声是影响飞机边线噪声水平的关键因素，减小飞机起飞时喷流噪声是降低飞机源噪声的重点。

3 边线EPNL主要影响因素

由第1小节中关于有效感觉噪声级的定义可知，飞机边线EPNL与声源强度、噪声频率、持续时间有关。通过飞机主要噪声源的分析，可知发动机喷流速度是最主要的噪声源，是影响飞机边线EPNL的主要因素。文中对于声源强度的研究主要以发动机喷气噪音为对象。

3.1 喷流速度

喷流噪声是由发动机尾喷管流出的高速气流与周围大气急剧混合形成的强烈脉动湍流所引起的，根据Lighthill喷流噪声理论，声功率与排气的喷射速度的8次幂成正比[6]。当飞机起飞时发动机处于最大推力状态，发动机喷流速度最大，因此产生了较大的喷流噪声。

发动机静止推力定义为[7]

由推力定义式可知降低发动机喷气速度的方法主要有：增大发动机进气流量和减小发动机推力两种。增大发动机进气流量的方法可以在保持发动机推力不变的情况下，降低喷流速度。当前一般采用增大风扇直径提高发动机涵道比的方法提高发动机进气流量。更大的发动机涵道比带来的变化是：相同推力下更低的喷气速度，更小的喷气噪音；更小的风扇压比，更小的风扇噪音。采用减小发动机推力来降低喷气速度的方法需要在特定的情况下使用。减小发动机推力将使得飞机加速性能下降，在飞机升力系数不变的情况下将加大飞机起飞滑跑距离，增大对机场跑道长度的要求。所以应相应增加飞机机翼面积，提高飞机升力系数来降低飞机起飞抬头速度，缩小起飞滑跑距离。

3.2 噪声频率

噪声频率不同，在声传播过程中的耗散现象不同。由于高频噪声通过大气时的衰减明显高于低频噪声，大气对噪声具有通低频阻高频的特性。因此为了增加噪声在传播过程中的衰减程度，降低噪声测量点的噪声强度，需要将飞机噪声由低频向高频转变。目前改变飞机喷流噪声频率的方法主要有：采用分开排气锯齿冠状喷口、采用几何偏置设计的喷管形状、实现喷管斜切等。这些方法都是通过扰乱发动机排气流场，将大尺度涡转化为小尺度涡，使得噪声频率有低频向高频转变。

3.3 噪声持续时间

要让飞机更快地通过边线噪声测量点来减小噪声持续时间，直接的方法是提高飞机的起飞速度。增大飞机翼载荷可提高飞机的起飞速度，在飞机最大起飞重量不变的情况下通过减小飞机的翼展面积来增大飞机翼载荷。减小飞机翼展面积使得飞机升力系数降低，飞机起飞抬头速度增大，通过更大的飞机起飞速度来减少噪声持续时间。

需指出的是通过减小机翼面积增大飞机起飞速度会增加飞机对机场跑道长度的要求，并且加大机体与大气摩擦产生的噪音。减小机翼面积和减小发动机起飞推力的方法中要增大机翼面积相矛盾，因此采用哪个效果更好，需要进行实际验证。生产模型机进行实际验证不仅耗费财力更耗费时间，文中将采用噪声预测算法计算飞机边线EPNL，该算法能够根据飞机参数变化计算相应的边线有效感觉噪声级，大大简便了验证过程。

3.4 小结

通过以上分析可知，降低飞机边线EPNL的方法有：减小发动机的喷流速度、提高噪声频率和缩短噪声持续时间等。

4 基于噪声预测算法的降低边线EPNL方法有效性研究

为了探究降低飞机边线有效感觉噪声级的可行性，利用飞机边线噪声预测算法进行方法验证。

4.1 边线噪声预测算法

飞机边线噪声预测算法[8]通过大量的飞机物理数据及其噪声级和相关的气动噪声公式推导而出，飞机边线噪声级与飞机起飞重量、机翼面积、发动机推力、涵道比等物理参数相关。当确定了飞机上述物理参数即可通过噪声预测算法算得飞机边线有效感觉噪声级，简化了当前测量飞机噪声的方法。

边线有效感觉噪声级计算式定义为

其中Al=10（n-2），n=8.5，经验参数EPNLref.lat=69 EPNdB，Ft,ref=100 kN，Vf,ref=100 m/s，Ve,ref=150 m/s。Ft是在测量点位置发动机推力，Vf是飞机飞过测量点时的速度，Ve是有效喷气速度。

有效喷气速度Ve定义为

式中

mrel是与飞机类型及喷气速度大小有关的参数，可取3.2、3.6、5、6[9–12]。

对大量相关数据的研究表明，发动机涵道比和飞机静止时发动机的最大喷气速度存在一定关系[8]，如图2所示，因此可用发动机涵道比来表征喷气速度的大小。

图2 发动机涵道比与喷气速度关系

应用Visual Basic程序设计语言，将飞机边线噪声级预测算法编译为可执行的应用程序，程序界面截图如图3所示。

图3 边线噪声预测算法计算程序界面

由图3可知，发动机涵道比、最大起飞推力、飞机翼展面积是影响边线EPNL的主要物理参数。噪声预测算法只能验证噪声强度和噪声持续时间变化对边线EPNL的影响，不能分析噪声频率对EPNL的影响。选取波音和空客公司最基本机型和最新机型B737、A320和B787、A380作为研究算例，飞机各物理参数、认证的边线EPNL和应用噪声预测算法算得的边线EPNL如表1所示。

4.2 飞机三个主要物理参数与边线EPNL的关系

变换飞机的涵道比、最大起飞推力、翼展面积，应用边线噪声预测算法计算飞机相应的边线EPNL。计算结果如表2至表4所示。

对比以上各表可知，发动机涵道比每变化10%对飞机边线EPNL影响最大，发动机推力变化对边线EPNL的影响大于飞机翼展面积变化的影响。

根据第3.1节分析，减小发动机推力需相应增大飞机翼展面积来缓解对机场跑道长度的要求。利用噪声预测算法计算减小发动机推力、增大机翼面积的飞机边线EPNL如表5所示。

表1 各飞机物理参数及边线EPNL

表2 飞机边线EPNL随涵道比变化情况

表3 飞机边线EPNL随最大推力变化情况

表4 飞机边线EPNL随机翼面积变化情况

表5 飞机边线EPNL随推力和机翼面积变化情况

从表5可知当发动机推力减小10%、机翼面积增大10%可以降低飞机边线EPNL，降低的幅度没有单独减小发动机推力或者减小机翼面积大。但是采用该方法不像单独减小发动机起飞推力或者减小机翼面积一样会增加飞机起飞滑跑距离，因此不用对机场跑道长度进行加长。所以减小推力、加大机翼面积是一种更为可行的方法。

5 结语

通过以上研究可知采用增大发动机涵道比、减小发动机推力并相应增大机翼面积的方法能够有效降低飞机边线EPNL，并且不会产生消极因素。减小飞机机翼面积虽然可以增大飞机起飞速度，通过减小噪声持续时间来减小飞机边线EPNL，但是该方法将使得飞机的起飞滑跑距离增大，降低了飞机的机动性，并且需重新设计机场，加长跑道长度，因此目前新型飞机的设计并没有采用这种方法。纵观当前新一代的航空发动机，超高涵道比已经成为新型发动机的标签，如空客A320的改进机型A320neo系列飞机配备的CFM公司的LEAP-1A系列发动机和普惠公司的PW1100G系列发动机，这两种发动机的涵道比分别达到了11:1和12.5:1，比当前A320系列飞机装配的发动机涵道比整整高出了一倍，A320neo系列飞机也因此有着更低的噪声水平。与空客A320飞机相对应的波音737系列飞机的改进机型同样也将装配超大涵道比发动机，新飞机搭载的LEAP-1B系列发动机涵道比为9:1，也比现款737系列飞机搭载的发动机涵道比高出了近两倍。当前国际上研究的新一代安静飞机模型SAX-40采用的是混合翼身布局设计，飞机模型图如图4所示[13]。

图4 SAX-40飞机模型

飞机拥有更大的翼面积、更高的升力系数，能够极大地缩小飞机起飞距离，因此可以采用更小的推力起飞，能够有效降低飞机边线有效感觉噪声级。

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Research on the Method of Reducing theAircraft Lateral Effective Perceived Noise Level

YANG Zong-yao,YAN Guo-hua
(College ofAeronautical Engineering,CivilAviation University of China,Tianjin 300300,China)

In order to meet the stringent requirements of noise airworthiness approval for the new aircrafts,it is necessary to reduce the effective perceived noise level(EPNL)at the three noise measurement points of the aircraft.In this paper,taking lateral noise measurement point as the research object,the influencing factors of the lateral EPNL of the aircraft are studied.The method to reduce the lateral EPNL is put forward.Noise prediction algorithm for the lateral noise is used to verify the effectiveness of the method.The results show that increasing engine bypass ratio,reducing takeoff thrust and increasing wing area are the feasible measures for aircraft lateral EPNL reduction.

acoustics;aircraft;EPNL;lateral;noise reduction method

X593

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.023

1006-1355(2017)02-0113-04+142

2016-11-14

中国航空工业集团西安飞机设计研究所资助项目（401207）

杨宗耀（1991－），男，福建省漳州市人，硕士生，主要研究方向为飞机边线噪声预测算法。E-mail:zongyaoy@163.com