航空器航跡噪聲預(yù)測(cè)模型研究

航空器航跡噪聲預(yù)測(cè)模型研究

現(xiàn)在，中國經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，人民移動(dòng)方式發(fā)生了重大變化，豐富了中國航空業(yè)的發(fā)展。機(jī)場(chǎng)飛機(jī)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)航空器起降帶來的噪聲的影響范圍和噪聲強(qiáng)度尤為重要。國內(nèi)外對(duì)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(jì)70年代,德國率先研究出了計(jì)算飛機(jī)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(jī)場(chǎng)的噪聲預(yù)測(cè),現(xiàn)在在許多國家的民用機(jī)場(chǎng)也得到了廣泛的應(yīng)用。中國對(duì)機(jī)場(chǎng)附近噪聲的測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)也做出了相應(yīng)的研究。許多文獻(xiàn)對(duì)航空器噪聲的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,并給出了一些評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算公式以及相關(guān)的噪聲計(jì)算的修正方法。在應(yīng)用方面,首都機(jī)場(chǎng)股份有限公司采取了一系列的措施,包括安裝運(yùn)行機(jī)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng),花費(fèi)1.2億元在機(jī)場(chǎng)附近社區(qū)采取隔音措施等。在實(shí)際運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn),飛行航線情況錯(cuò)綜復(fù)雜,飛機(jī)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(zhǎng)度的彎道和直線以各種方式交替組成,計(jì)算噪聲過程中對(duì)于如何計(jì)算預(yù)測(cè)點(diǎn)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(jì)算模型,而僅知道部分噪聲評(píng)價(jià)量的計(jì)算公式很難對(duì)機(jī)場(chǎng)周圍的噪聲情況進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評(píng)估。本文通過分析航空器飛行航跡的幾何特點(diǎn),建立一個(gè)適用于各種機(jī)型和不同航跡的噪聲預(yù)測(cè)模型,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型在航空器噪聲預(yù)測(cè)方面達(dá)到了準(zhǔn)確和快速的效果,為機(jī)場(chǎng)噪聲的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)和支持。1加航跡的結(jié)構(gòu)在飛機(jī)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(zhǔn)噪聲航跡的計(jì)算、飛行航跡的測(cè)量以及飛行航跡的修正。計(jì)算航空器噪聲需要許多參數(shù),其中航跡的確定對(duì)預(yù)測(cè)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(gè)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(jì)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(jì)算航跡單元影響下的噪聲,在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(jì)算P點(diǎn)的噪聲,則先分別計(jì)算4段航跡對(duì)P點(diǎn)的噪聲,再將4段的貢獻(xiàn)值綜合起來即可得到。2建立直角坐標(biāo)系航空器噪聲預(yù)測(cè)模型的建立首先需要建立合適的坐標(biāo)系,本文建立如下直角坐標(biāo)系:原點(diǎn)為跑道中心線的起點(diǎn),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(jī)械噪聲曲線擬合直線段航跡示意圖如圖2(a)所示,在計(jì)算過程當(dāng)中需要獲悉的參數(shù)有:航跡段序號(hào)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(cè)點(diǎn)與航跡段平面投影的最短距離Li;在航空器平飛時(shí),還須確認(rèn)航空器水平飛行的航程Si。該航跡段的起點(diǎn)坐標(biāo)為Ai(xAi,yAi,zAi),終點(diǎn)坐標(biāo)為Bi(xBi,yBi,zBi),實(shí)際情況中每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)由該點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和高度表示,即Ci(li,gi,hi)。計(jì)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(shí)需要確定的是航跡水平轉(zhuǎn)角αi的大小。不同的αi對(duì)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(shí),需要計(jì)算影響區(qū)域的噪聲值。確定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)和航跡的具體位置關(guān)系之后,有兩種方法可以得到該點(diǎn)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(duì)應(yīng)機(jī)型的NPD數(shù)據(jù)庫中查出對(duì)應(yīng)的噪聲值大小;另一種方法是將斜距代入具體機(jī)型的噪聲曲線擬合表達(dá)式計(jì)算。大部分機(jī)型通常采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行噪聲曲線擬合,也就是說在機(jī)型和功率固定的前提下,找到有效感覺噪聲級(jí)和斜距之間滿足的二次多項(xiàng)式關(guān)系。例如,在某波音737機(jī)型的不同功率下,有效感覺噪聲級(jí)與斜距的關(guān)系為這種噪聲曲線擬合表達(dá)式是對(duì)工程測(cè)量中許多測(cè)量值進(jìn)行擬合得到的,可以體現(xiàn)出噪聲變化的大致過程。不同機(jī)型噪聲數(shù)據(jù)量的不足,導(dǎo)致現(xiàn)在適用于不同機(jī)型的噪聲曲線公式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。圖3顯示的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)P的斜距。式中:Ri為P點(diǎn)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(jī)場(chǎng)的海拔高度;HMSLC為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的海拔高度;γi為地面投影三角形中的一個(gè)角,計(jì)算式為將按照上述方法計(jì)算所得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(xiàng)式中便可以得到該點(diǎn)的噪聲值。2.2航跡影響區(qū)域的確定在計(jì)算曲線段航跡時(shí)需要獲悉的參數(shù)有:航跡段序號(hào)i,起點(diǎn)坐標(biāo)Ai(xAi,yAi,zAi),終點(diǎn)坐標(biāo)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(biāo)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(diǎn)與圓心之間連線所夾的區(qū)域以及其對(duì)角區(qū)域?yàn)槠溆绊憛^(qū)域,根據(jù)中心點(diǎn)Oi(xOi,yOi)坐標(biāo)和起點(diǎn)Ai、終點(diǎn)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(jì)算曲線段航跡影響范圍內(nèi)的噪聲情況時(shí),需要確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體落位情況,如圖6所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)落在曲線段航跡的扇形范圍時(shí)(見圖7(a),其地面映射如圖6(a)所示),斜距Ri的計(jì)算方法為當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)落在曲線段扇形區(qū)域外時(shí)(見圖7(b),其地面映射如圖6(b)所示),斜距Ri計(jì)算方法為式中:,LOiA、LOiP和LAP分別表示兩點(diǎn)之間的距離。按照上述方法計(jì)算出來的噪聲值,經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚蟊憧梢源碓摫O(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體噪聲情況。3監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲傳播通過兩種方法驗(yàn)證所提模型的計(jì)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(jìn)行對(duì)比;另一種是與北京機(jī)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中抽離出的航跡以及相應(yīng)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖8所示,用NoiseMap軟件模擬A319飛機(jī)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(jī)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(gè)興趣點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P1,P2,P3,P4,P5)。圖9給出模型計(jì)算值和軟件模擬值的對(duì)比圖。噪聲計(jì)算過程是:將數(shù)據(jù)代入模型里求出監(jiān)測(cè)點(diǎn)和航跡的斜距,之后在NPD數(shù)據(jù)庫中查找該機(jī)型的斜距和推力已知的條件下該點(diǎn)的噪聲值?？梢钥闯瞿Ｐ陀?jì)算值普遍高于軟件模擬值,分析推測(cè)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(duì)噪聲傳播的影響,而軟件在這方面有適當(dāng)?shù)目紤]。從圖9可以看出,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離航跡斜距較小的地方,計(jì)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(cè)點(diǎn)P1超出這個(gè)范圍,所以預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確。圖10給出NoiseMap軟件模擬的F16A飛機(jī)起飛時(shí)的一段航跡。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jì)算值和軟件模擬值的對(duì)比分析?？梢钥闯?在斜距較小的P1、P4兩點(diǎn)的噪聲值差異最小,其中在P1點(diǎn)的差異只有1.67dB。在曲線段航跡影響的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),模型預(yù)測(cè)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(jī)側(cè)向衰減因素的影響,其中飛機(jī)側(cè)向衰減因素要占較大成分。以上都是航跡段對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲的平均影響,下面將每段航跡細(xì)分,從而體現(xiàn)出飛機(jī)瞬時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲影響。下例是北京機(jī)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型計(jì)算值的對(duì)比。圖12是北京機(jī)場(chǎng)的噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖,包含編號(hào)51~69共19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中有一條由34個(gè)航跡點(diǎn)構(gòu)成的直線段航跡,這段航跡由A320飛機(jī)從630m下降到140m過程中每隔3~4s留下來的位置點(diǎn)組成。其中影響的監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)依次有P61、P60、P62和P59。在此次噪聲事件影響的20s左右的時(shí)間里,監(jiān)測(cè)設(shè)備記錄了期間的噪聲變化情況,按照飛機(jī)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(jì)算每小段(8、9或10個(gè)位置點(diǎn)組成)航跡對(duì)影響范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲影響,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(diǎn)的差異相對(duì)較小,可見對(duì)相同推力段的航跡進(jìn)行細(xì)分后,預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率有明顯的下降。根據(jù)其NPD數(shù)據(jù)庫計(jì)算飛機(jī)航跡的噪聲,數(shù)據(jù)庫中飛機(jī)的推力是離散值,在一定推力下對(duì)應(yīng)的斜距也是離散的。由于飛機(jī)的NPD噪聲數(shù)據(jù)可以模擬成曲線,這樣對(duì)于有些推力值或者斜距不在相應(yīng)表中的情況,需要對(duì)其進(jìn)行插值計(jì)算,但是分別進(jìn)行插值會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率造成較大影響。所以為了保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)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(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的斜距與數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)不匹配的點(diǎn)的噪聲值采用距離反比插值算法計(jì)算。4噪聲預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性1)根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果和軟件模擬結(jié)果的對(duì)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲偏差在3dB之內(nèi),可以看出該模型在航跡段對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總體噪聲預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。2)由該模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析結(jié)果可以看出,將每