直升機振動與噪聲綜合評估方法研究

張　冀， 李　書， 賀天鵬， 簡成文

(1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京　100191； 2. 中國人民解放軍61769部隊，山西　呂梁　 032100)

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直升機振動與噪聲綜合評估方法研究

張冀1, 2， 李書1， 賀天鵬1， 簡成文1

(1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100191； 2. 中國人民解放軍61769部隊，山西呂梁 032100)

摘要：為了能夠對直升機振動與噪聲進行綜合性的研究，系統地建立了一種以飛行員、機上設備和環境為基礎的綜合評估模型，并對振動與噪聲的主要影響進行分析，構建了一個三層的指標體系結構；在研究各種綜合評估方法的基礎上，選擇層次分析法(Analytic Hierarchy Process)與模糊綜合評估法(Fuzzy Comprehensive Evaluation)對構建的模型進行評估；同時應用MATLAB開發平臺對提出的方法進行仿真；最后選擇樣例直升機進行案例分析，對提出的方法進行驗證。仿真結果表明，該方法能夠從定性與定量的角度綜合描述直升機振動與噪聲對飛行員、機上設備和環境的影響，為直升機振動與噪聲的評估提供了一種新的途徑，可以在直升機的研制、試驗和使用等階段進行應用和推廣。

關鍵詞：直升機；振動；噪聲；綜合評估；評估方法；模型

自第一架直升機研制成功以來，直升機在技術方面的發展主要經歷了四個階段[1]，每個階段都伴隨著性能的明顯提升和技術的快速進步，例如在發動機性能、機身材料、振動與噪聲水平的控制等方面，其中振動和噪聲一直是直升機研制中的重要環節，長期被國內外學者和研究人員所重視。

直升機的振動與噪聲主要來自于[2]旋翼、尾槳、發動機和傳動系統，與固定翼飛機相比，直升機的振動與噪聲所造成的環境更為惡劣、帶來的影響更為突出。由此所引發的振動與噪聲的環境問題，一直被國內外的專家和飛行員所高度關注[3]。過高的振動與噪聲水平，會對直升機的安全性、可靠性、飛行品質以及與效能和性能相關的指標產生不同程度的影響。因此，對直升機的振動與噪聲環境進行研究和綜合評估就顯得十分的重要和必要。

劉大偉等[4-5]研究了直升機的性能與效能的指標體系構建與綜合性評估，評估對象為直升機的綜合性能與總體方案，對直升機振動與噪聲的影響因素考慮較少；蔣欣桐[2]將直升機振動與噪聲的影響因素進行了分類與描述，并對每個因素進行了研究，但沒有開展相關的評估工作；王放等[6-8]分別對直升機的振動、噪聲進行了研究，從噪聲級與振動強度的角度進行了分析和預估工作；Brentner等[9-10]針對直升機飛行員在振動與噪聲環境中的感受等做了相應的研究工作。目前，國內外學者在直升機振動與噪聲的綜合評估方面所做的工作還很少。

針對上述問題，筆者根據直升機發展趨勢以及對振動和噪聲的要求，以飛行員、機上設備和環境為基礎，對直升機在飛行中由振動和噪聲所帶來的影響進行分析和研究，并將各類重要因素以層次結構的形式展示出來，使讀者可以清楚地了解振動與噪聲所帶來的主要影響[11-12]；在層次結構的最底層，將以直11型直升機為樣例機型，邀請專家對底層的指標做出評價，再對直升機振動與噪聲的影響做出定性與定量相結合的綜合評估[13]，并將全部的評估過程與模型進行仿真。

1直升機振動與噪聲的影響分析

1.1直升機振動與噪聲對飛行員的影響

直升機振動與噪聲對飛行員的影響，可以從生理、心理和物理的角度進行分析。

1.1.1生理影響

直升機的振動與噪聲環境所造成的生理影響明顯高于固定翼飛機，它會引起人腦中樞機能的下降，會產生身體不適等癥狀，長期暴露在振動與噪聲環境中的飛行員，普遍存在頸椎、脊柱、腰椎和聽力等疾病。

對于直升機產生的振動環境而言，飛行員在駕駛過程中會產生麻感、困倦等反應，從而造成工作效率降低、工作熟練程度下降，給飛行訓練及作戰等任務帶來安全隱患；當振動到達一定動強度之后，將會引發暈動病，出現上腹不適，繼有惡心、面色蒼白、出冷汗，隨即有眩暈、唾液分泌增多甚至嘔吐等癥狀，以至喪失行為能力。

在噪聲環境中，最直接的影響就是引起聽覺疲勞、聽力損失及噪聲性耳聾甚至完全失聽。同時，噪聲環境還會間接地產生其它的生理影響，如引起頭疼、耳鳴、多夢、失眠、心跳加速、記憶力衰退等癥狀，而且還有可能造成對心血管的損害。

1.1.2心理影響

心理健康對于飛行員情緒以及飛行安全有著重要的意義。長期處在振動和噪聲環境中的飛行員，最直接的心理影響就是駕駛“不舒適”以及其他各種問題，如緊張、神經衰弱、焦慮、抑郁、煩躁和恐慌等，這些癥狀不僅在飛行中會給飛行員帶來不良的影響，同時也會對飛行員的日常生活造成種種不便，必須引起足夠的重視。

1.1.3物理影響

由于受到振動與噪聲的影響，飛行員的視覺、聽覺和觸覺等會出現一系列的問題甚至“錯覺”，例如對距離的判斷，對聲音、指令的獲取、理解，對儀表等機載設備顯示數值的讀取，對飛行環境、氣象條件的分析，對操縱桿等駕駛機構力度的掌握，對敵我人員或裝備的判斷識別以及對任務執行的可靠度等。

1.2直升機振動與噪聲對機上設備的影響

現有的直升機設備均已采用有效的隔振措施，但仍不可避免地直接受到振動的影響與噪聲的激勵。在高強度的振動和噪聲作用下，大面積質量比的結構會產生疲勞破壞，儀表設備會發生工作失靈、性能故障或錯誤動作。另外還可能導致：微型電子元件導線故障，導線的磨損，電路板的破裂，波導管、速調管失靈或損壞，電子元件的振動。

振動與噪聲對設備的影響主要分三種：影響結構的完整性，例如結構件的疲勞、斷裂與機械磨損等；影響設備的功能，例如工作不正常、性能降低或超出容差范圍等；工藝上的影響，例如連接件振動、分離，元件間相互摩擦、撞擊及短路、開路等。此外，受到振動和噪聲影響的設備還會給飛行帶來安全隱患。

1.3直升機噪聲對環境的影響

直升機的超低空飛行能力與機動性能，一直被視為是其實施突襲、突防等任務的重要條件。然而在飛行過程中，直升機發動機與旋翼等主要聲源所產生的高強度噪聲，使自己過早地被對方發現，大大降低了自身的聲隱身性能，削弱了突然性；而且由于直升機的速度遠小于固定翼飛機，所以對其聲隱身的要求也就更高。對于直升機而言，降低噪聲強度，最有效、最直接的辦法就是采用低噪聲發動機、改進直升機旋翼等手段，以此來提高直升機的聲隱身性能。

直升機噪聲不但對自身的聲隱身能力造成影響，同時，在平時的飛行、訓練或者執行任務過程中，也會對直升機飛行區域和附近居民的生活、工作等環境帶來噪聲污染，而且隨著直升機民用化程度的提高，在飛行過程中不但要求直升機盡量遠離人們的生活、工作區，也對直升機飛行中噪聲的控制提出了較高的要求。

2直升機振動與噪聲的綜合評估

直升機振動與噪聲的綜合評估是基于振動與噪聲評估指標體系而建立起來的一系列評價要素與評估方法的組合。

2.1綜合評估指標體系的構建

指標體系的構建需要遵循一定的系統工程原則，并且要求能夠全面、合理地反應評估對象的主要特征。指標的數目越少，就越有代表性，進行分析和研究也就更容易；指標數目越多，就會越詳細、越全面，在進行評價的過程中就能更細致地反應評估對象的各個層面。但同時又要避免指標體系過于簡單或過于復雜，要做到即能客觀反映評估對象本質，又能保證評估工作的可行性。

基于前文對直升機振動與噪聲影響的分析，將評估指標體系做如下分解，即振動與噪聲對飛行員、機上設備和環境的影響，具體指標體系結構如圖1所示。

圖1　直升機振動與噪聲綜合評估指標體系Fig.1 Comprehensive assessment index system of helicopter vibration and noise

2.2綜合評估方法的選擇

合理有效的綜合評估方法是進行評估的重要基礎，分析所構建的直升機振動與噪聲評估指標體系的特點，該指標體系具有明顯的層次性，有些指標只能定性的判斷，并且部分指標存在著模糊性，所以在對直升機振動與噪聲進行綜合評估時選擇將層次分析法和模糊綜合評估法相結合進行評估，即先使用層次分析法對指標體系進行權重求解，再用模糊綜合評估方法進行綜合評估。

(1) 層次分析法(以下簡稱AHP法)計算權重的步驟：

步驟1根據建立的指標體系層次模型構造判斷矩陣，選擇常用的1～9標度，其標度與含義如表1所示。

表1　判斷矩陣標度及其含義

步驟2參照所選擇的標度，對屬于同一個上層指標的同層次指標進行兩兩比較，構造判斷矩陣A，形如式(1)所示，aij表示第i個指標相對于第j個指標的重要程度。

(1)

步驟3求解判斷矩陣A的特征向量W：

(2)

W即為指標權重。

(2) 模糊綜合評估方法的評估步驟

步驟1定義評語集

評語集是一個評語的集合，以向量的形式來表示，例如將某個評價對象或者評價指標的評價結果定義為三個等級：優、良、差，這三個等級構成的評語集為V={優; 良; 差}。

步驟2對最底層指標進行評價，建立評價集矩陣

評價集是評價者對指標體系評價因素做出的各種評價結果的集合。在定義評語集之后，邀請一定數量的專家對指標體系最底層的指標進行評價，例如某個最底層指標ui，以之前定義的評語集V為依據，共有m個專家參與評價，其中a個專家的評價結果為“優”，b個專家的評價結果為“良”，c個專家的評價結果為“差”，那么對指標ui的評價集為R(ui)=[a/m,b/m,c/m]。由此可以得到所有最底層指標評價集的集合，記為矩陣R，如式(3)所示：

(3)

矩陣中，rnv表示對于第n個最底層指標，專家給出第v評價等級的專家數與總專家人數之比。

步驟3由式(2)和(3)進行模糊計算

B=WT° R

(4)其中:° 為模糊算子，在本文中，模糊算子采用M(·,⊕)。B為上一級指標的評價集，由此可以求得每層指標的評價集，之后根據之前定義的評語集即評語集矩陣V和公式(5)，就能夠得到每個指標的評價結果。

C=B° V

(5)

2.3構造判斷矩陣與評價最底層指標的方案

構造判斷矩陣，需要將指標體系發給評價專家，專家根據綜合評估對象的類型、評估目的以及自身的認識和經驗，對指標體系中指標的重要程度進行對比，并按照指標體系的結構，構造出相應的判斷矩陣。

根據前文介紹的模糊綜合評估方法，將評語集建為5個等級，即V={優; 良; 一般; 差; 很差}，并進行臨界值的設定：“優”表示100～85分，“良”表示85～70分，“一般”表示70～55分，“差”表示55～40分，“很差”表示40分下，根據設定的臨界值，評語集也可記為V={100; 85; 70; 55; 40}，以方便專家進行評價，并用于評估結果的計算。

對于最底層指標的評價，定義好評語集，然后邀請若干名評估專家，將指標體系與評價最底層指標所需要的相關標準文件(如《軍用直升機振動強度規范》、《軍用直升機振動特性要求》、《飛機內的噪聲級》等)或與評估對象進行對比的數據等發給參評專家，專家根據相關的文件和掌握的數據，并結合自身經驗，對評估對象最底層的指標進行評價：將該指標的“性能”與相關標準文件或現有其它對象的數據進行對比，按照定義好的評語集進行等級評判，之后，將所有專家的評價結果進行匯總，就得到了最底層各個指標所對應的評價集，即完成了對底層指標的評價。

圖2為構造判斷矩陣和評價最底層指標的方案。

圖2　構造判斷矩陣與評價最底層指標的方案Fig.2 The program of constructing judgment matrix and assuming the lowest index

2.4建立綜合評估模型

將構建的指標體系與綜合評估方法相結合，得到直升機振動與噪聲綜合評估模型如圖3所示。

圖3　直升機振動與噪聲綜合評估模型Fig.3 The comprehensive assessment model of helicopter vibration and noise

3模型仿真與驗證

3.1模型仿真

在模型的仿真過程中，采用MATLAB軟件對提出的綜合評估方法進行仿真。

從軟件工程角度來描述，仿真過程主要分為以下幾個方面：系統的功能與需求設計、系統編程與算法實現、測試及調試等。仿真的關鍵在于評估過程中矩陣的計算和評估結果的可視化。

3.2模型驗證

本文選擇直11機型為樣例直升機，對提出的綜合評估方法進行驗證。在進行綜合評估前，將按照評估方案，邀請專家，構造各層指標的判斷矩陣(計算權重)，并對直11最底層指標進行評價。

3.2.1判斷矩陣

專家對直11的振動與噪聲評估指標體系所構建的判斷矩陣以及所對應權重如表2～表5所示。

表2　振動與噪聲指標的判斷矩陣與權重

表3　飛行員指標的判斷矩陣與權重

表4　機上設備指標的判斷矩陣與權重

表5　環境指標的判斷矩陣與權重

3.2.2最底層指標評價集

最底層指標評價集是進行評估的重要基礎，為了使得到的評價集具有更高的可信度，文中邀請了10位領域內的專家，專家將根據自身的經驗以及掌握的數據對最底層指標做出評價，評價結果如表6所示。

表6　最底層指標的評價結果

由表6的評價結果，可得到專家對最底層指標評價的評價集如表7所示。

表7　最底層指標的評價集

3.2.3仿真結果與分析

將判斷矩陣、權重和最底層指標評價集帶入模型進行運算，所得仿真結果如圖4～8所示。

圖4 飛行員指標評估結果Fig.4Theassessmentresultofpilotindex圖5 機上設備指標評估結果Fig.5Theassessmentresultofhelicopterequipmentindex圖6 飛行環境指標評估結果Fig.6Theassessmentresultofflightenvironmentindex圖7 振動與噪聲指標評估結果Fig.7Theassessmentresultofvibrationandnoiseindex

在可視化的評估結果中，橫坐標為評估指標的名稱，縱坐標為評估指標的得分，滿分100分，以圖8為例，可見直11振動與噪聲的綜合評估得分為74.8分，在85～70分之間，根據之前所定義的評語集V={優; 良; 一般; 差; 很差}以及V={100; 85; 70; 55; 40}，可得出直11的評估結果屬于評語集中“良”的檔次。

圖8　直11型直升機評估結果Fig.8 The assessment result of Z11

根據輸出的可視化評估結果，我們能夠直觀地看到每層指標及每個指標的評估分數，同時根據評估之前所定義的評語集，可以定性地得到每層指標與每個指標所屬的評價等級。文中提出的方法與ADS-27和ISO2631等標準相比，可以直接以人的主觀為主要的評價依據，對振動和噪聲相關指標做出更符合主觀感受的評估。

評估結果表明，文中提出的直升機振動與噪聲綜合評估方法具有一定的合理性和可信性，可以應用到其它機型振動與噪聲的綜合評估工作中，同時可與現有的測量與評估結果進行對比。

4結論

本文系統地分析了直升機振動與噪聲對飛行員、機上設備和環境所帶來的主要影響，建立了相應的指標體系結構，通過對現有評估方法的研究與分析，選擇了適合于直升機振動與噪聲評估指標體系的綜合評估方法，構建起了綜合評估模型，并進行了仿真，從而實現了評估的自動化與可視化，相對系統地提出了一套適用于直升機振動與噪聲的評估流程，建立了一種新的綜合評估方法。同時，該方法可以將不同型號直升機振動與噪聲對飛行員、機上設備和環境所帶來的影響進行對比，而且，在直升機民用化程度快速提高的今天，該方法適合于不同的直升機用戶群，能夠讓用戶對直升機的指標性能與綜合性能有更好的理解，用戶可以根據自己的要求對直升機進行選擇，也可以根據自己的需要對直升機的設計與制造等階段提出要求，有利于直升機民用化的宣傳與推廣，具有較強的工程與實踐意義。

參 考 文 獻

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基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)資助項目(2012AA112201)

收稿日期：2014-11-04修改稿收到日期：2015-02-12

通信作者李書 男，教授，1965年1月生

中圖分類號:V214.3+1；V214.3+3；X-6

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.024

Comprehensive assessment methods for helicopter vibration and noise

ZHANG Ji1,2, LI Shu1, HE Tian-peng1, JIAN Cheng-wen1

(1. School of Aeronautic Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing 100190, China;2. PLA Unit., 61769, Lüliang 032100, China)

Abstract:In order to do a comprehensive study on vibration and noise of helicopters, a model of comprehensive assessment based on pilot, machine equipment and environment was built here to analyze the main influence factors on helicopter vibration and noise and constructs a three-layer index system structure was contructed. The model constructed was assessed with the analytic hierarchy process method and the fuzzy comprehensive evaluation method after studying various comprehensive evaluation methods. At the same time, the simulation for the new methods was done with MATLAB development platform. At last, some examples of helicopters were chosen to do case study with the proposed method. The simulation results showed that the method proposed can describe the effects of helicopter vibration and noise on pilot, equipment and environment qualitatively and quantitatively. The results provided a new way for the assessment of helicopter vibration and noise, this method could be applied and extended in development, testing and use of helicopters.

Key words:helicopter; vibration; noise; comprehensive assessment; assessment methods; model

第一作者 張冀 男，博士生，1984年7月生