基于CDA程序的機場噪聲評估與控制研究

胡 榮，許躍鳳，李東亞，張軍峰

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

基于CDA程序的機場噪聲評估與控制研究

胡 榮，許躍鳳，李東亞，張軍峰

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

為深入分析航空器噪聲對機場周邊地面和空間的影響，基于BADA模型構(gòu)建了航空器航跡預(yù)測模型，基于NPD數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了機場噪聲評估模型，對模型進行理論分析與數(shù)值仿真，以廣州白云機場GYA進場點為例開展了機場噪聲影響實例研究，從地面影響、空間影響、影響時間等維度量化了CDA程序的減噪效果。研究結(jié)果表明：與IAP程序相比，CDA程序減噪效果明顯，且減噪效果隨著噪聲等級的提高而提高；CDA程序較IAP程序減噪的原因是較低的飛行推力和較高的飛行高度。

航空運輸；減噪；BADA模型；持續(xù)下降進近；噪聲評估

近年來，我國航空業(yè)的快速發(fā)展，民航機場規(guī)模不斷擴大、飛機起降架次持續(xù)增多[1]，飛機頻繁起降給機場周邊區(qū)域帶來的噪聲問題日益嚴重。《國務(wù)院關(guān)于促進民航業(yè)發(fā)展的若干意見》（國發(fā)〔2012〕24號）中明確指出：“到2020年，我國初步形成安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代化民用航空體系”。隨著我國民航業(yè)的進一步發(fā)展，飛機起降噪聲區(qū)別于其他噪聲[2]，其與機場周邊區(qū)域發(fā)展的矛盾勢必愈演愈烈，進行科學(xué)合理的噪聲評估和控制勢在必行。

當(dāng)前，國內(nèi)外針對機場噪聲問題開展了深入的研究，取得了豐富的研究成果，依據(jù)研究內(nèi)容劃分主要集中于如下兩個方面：

1）有關(guān)機場噪聲評估的研究：歐美等國研發(fā)出多種噪聲評估軟件，德國的SoundPLAN[3]，采用扇形模型進行噪聲計算，但距離聲源越遠精度越差；美國的INM采用綜合噪聲模型預(yù)測噪聲，使用廣泛也具有較高精度，但需要大量精確數(shù)據(jù)輸入且成本較高；Noisemap主要用于軍事領(lǐng)域，用于民用誤差較大[4]。我國的機場噪聲評估研究起步較晚，相關(guān)理論研究主要集中在地面噪聲評估、地面噪聲分布等[5-10]，缺少成型的噪聲評估軟件。另外，進行噪聲評估的前提是獲得其航跡，目前航跡預(yù)測的方法主要有兩種：一是基于混合估計理論，如交互式多模型算法[11]，二是基于航空器動力學(xué)及運動學(xué)模型，利用各類機型的性能參數(shù)實現(xiàn)航跡預(yù)測[12]。

2）有關(guān)機場噪聲控制的研究：按照其傳播規(guī)律來看主要有控制噪聲源、減少噪聲傳播、隔離噪聲受眾[13-14]等方法。作為環(huán)境友好型的進近程序，持續(xù)下降進近（continuous descentarrival,CDA）在進近過程中避免平飛，盡可能久地保持閑置推力和較高高度，盡可能使飛機保持光潔形態(tài)，這能夠有效減少噪聲能量的傳播，也使得CDA有三點突出優(yōu)勢：緩解噪聲污染、降低燃油消耗、減少廢氣排放。歐美等國多個機場已開展數(shù)次飛行驗證并用于日常運營，效果顯著[15]。

基于上述研究，國內(nèi)外對機場噪聲評估和控制研究已取得一定成果，但尚有不足，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

1）機場噪聲評估方面：首先，現(xiàn)有研究多借助國外現(xiàn)成噪聲預(yù)測工具進行，這本身就有兩點弊端，一是國外評估軟件不一定適合本國國情，二是不利于評估軟件的后續(xù)改進和集成；其次，現(xiàn)有評估多是定性評估沒有進行定量評估，結(jié)果不直觀，而且主要是針對地面評估而沒有考慮空間受噪聲影響狀況。

2）機場噪聲控制方面：國內(nèi)現(xiàn)有研究對飛行程序減噪考慮不足，研究成果較少，與美歐等發(fā)達國家差距明顯，亟需加強相關(guān)研究。

基于上述考慮，本文以廣州白云國際機場GYA進場飛機為例，基于BADA（base of aircraft data）模型構(gòu)建航跡預(yù)測模型，輸出預(yù)測航跡；基于NPD（noise-power-distance）數(shù)據(jù)庫構(gòu)建機場噪聲評估模型，對模型進行理論分析與數(shù)值仿真?；谏鲜隼碚?，對標(biāo)準(zhǔn)儀表進場程序（instrument arrival procedure，IAP）進行噪聲評估，生成地面噪聲等值線圖、三維空間噪聲等值面圖。采用持續(xù)下降進近程序減噪，對比分析二者在高分貝噪聲影響面積、體積大小、敏感點影響時間長短，驗證CDA程序的減噪優(yōu)勢并深入分析其原因。

1 基本模型研究

為順利開展機場噪聲評估研究，首先需要確立航空器的航跡預(yù)測模型與機場噪聲評估模型。

1.1 航跡預(yù)測模型

BADA航空器性能模型是由歐控與航空器制造商聯(lián)合開發(fā)的分析飛行動力學(xué)的模型，可確定航空器不同階段的性能[16]553，其主要包括全能量模型、水平運動模型、氣動與推力模型。

1）全能量模型。通過分析航空器質(zhì)點受力以及勢能和動能轉(zhuǎn)化關(guān)系來建立模型，如式（1）所示[16]554：

式中：T為推力，N；D為阻力，N；m為航空器質(zhì)量，kg；h為高度，m；g為重力加速度，m/s2；VTAS為航空器真空速，m/s。

2）水平運動模型。主要描述航空器在水平方向的運動[16-17]，如式（2）所示：

式中：θWA為風(fēng)角，（°）；φwind為風(fēng)向，（°）；vwind為風(fēng)速，m/s；δMC為航線角，（°）；Δt為預(yù)測步長，s；vGS為地速，m/s；Δd為飛行距離，m；βMH為航向，（°）。

3）氣動及推力模型。用以分析航空器受力情況，研究航空器的速度與下降率。其中航空器阻力可由式（3）計算，推力可根據(jù)最大爬升推力以及不同飛行階段對應(yīng)的系數(shù)計算獲得。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；S為機翼參考面積，m2；CD為阻力系數(shù)。

基于BADA航空器性能模型，可按照如下步驟開展航跡預(yù)測分析：① 設(shè)立航空器初始狀態(tài)；② 依據(jù)航段性質(zhì)，分別處理垂直和水平方向航跡；③ 聯(lián)合性能數(shù)據(jù)，輸入航跡計算模塊，根據(jù)預(yù)測步長計算航跡。

1.2 機場噪聲評估模型

機場噪聲評估可按“計算飛行航跡-確定評估指標(biāo)-計算NPD插值-修正計算結(jié)果-預(yù)測噪聲值”的步驟進行[18]。其中“計算飛行航跡”可通過“航空預(yù)測模型”計算獲取，其他重要過程的計算方法如下：

1）斜距計算。預(yù)測點與噪聲源的距離是決定噪聲影響的關(guān)鍵因素之一。對預(yù)測點進行噪聲預(yù)測，最重要的步驟是計算斜距。斜距dp可表示為

式中：l為預(yù)測點到地面航跡的垂直距離；h為飛行高度與預(yù)測點的高差；γ為飛機的爬升角。

2）NPD數(shù)據(jù)插值。參照NPD數(shù)據(jù)，P可根據(jù)任意推力值以及任意距離值d獲得噪聲水平。

對應(yīng)于斜距d，若推力P處于Pi與Pi+1之間，則噪聲水平：

對應(yīng)于推力P，若斜距d處于di和di+1之間，則噪聲水平：

若斜距d超出了斜距-噪聲特性曲線范圍，則可通過內(nèi)插值或外插值求得。

3）修正計算。依據(jù)ECAC.CEACDoc29，單架飛機的有效感覺噪聲級修正計算公式如下：

式中：Δv為速度修正因子；Λ（β，l）為側(cè)向衰減修正因子；ΔI（φ）為引擎安裝修正因子；ΔL為起跑點后側(cè)點修正因子；Δφ為轉(zhuǎn)彎修正因子。

此外，根據(jù)《機場周圍飛機噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9660-88）和NPD數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有評估指標(biāo)，本文采用有效感覺噪聲級（LEPN）為單事件噪聲評估指標(biāo)。

2 評估結(jié)果分析

本文選用B767-300機型以廣州白云機場GYA方向進場為例進行噪聲評估與控制，GYA方向進場距離為62.10 km，程序起終航路點為GYA與AGVOS，其中IAP程序與CDA程序重要航路點信息如表1所示。評估IAP程序?qū)Φ孛媾c空間的噪聲影響狀況，采用CDA程序減噪，量化減噪效果，并分析減噪原因。

表1 IAP&CDA程序航路點信息Tab.1 W ay point information of IAP and CDA procedure

2.1 地面影響分析

根據(jù)本文第1章理論，將有效感覺噪聲級（LEPN）作為噪聲級單位，采用Matlab編程，得到IAP程序與CDA程序在GYA進場方向地面噪聲等值線圖，如圖1（a），圖1（b）所示，其中：相同色塊代表相同等級噪聲，顏色由淺入深表示噪聲級的增加，對應(yīng)關(guān)系由右側(cè)colorbar給出。計算可得IAP程序與CDA程序在70，65，60，55 dB以上噪聲面積，作差計算可得CDA程序較IAP程序減少面積及百分比，如表2所示，根據(jù)結(jié)果可知CDA程序較IAP程序地面減噪性能較好，且隨著噪聲等級的增加減噪效果越明顯。

表2 CDA程序地面減噪效果Tab.2 Noise abatement effect on the ground of CDA procedure

圖1 IAP程序和CDA程序噪聲等值線圖Fig.1 Noise contour of IAP and CDA procedure

2.2 空間影響分析

現(xiàn)有研究多以噪聲等值線進行噪聲影響范圍的評估，忽略了在高度的變化下，飛機噪聲影響的差異性，本節(jié)結(jié)合高度變量，繪制噪聲等值面圖，對飛機噪聲在空間范圍內(nèi)的影響進行量化，評估CDA程序的減噪效果。

本文將高度上限設(shè)置為400m（1 312.34 ft），考慮到廣州超過最大高度的建筑物僅3座，400m可覆蓋絕大多數(shù)建筑，具有科學(xué)性和合理性。得到IAP程序與CDA程序進場噪聲三維等值面如圖2、圖3所示。計算可得IAP程序與CDA程序在70，65，60，55 dB以上噪聲體積，作差計算得到CDA程序較IAP程序減少體積及百分比 （400m高度），如表3所示，各噪聲等級減噪效果明顯，減噪效果隨噪聲等級提高而越發(fā)顯著。

圖2 IAP程序噪聲等值面Fig.2 Noise equivalent surface of IAP procedure

圖3 CDA程序噪聲等值面Fig.3 Noise equivalent surface of CDA procedure

表3 CDA程序空間減噪效果Tab.3 Space noise abatement effect of CDA procedure

2.3 影響時間分析

不同功能區(qū)的人群對噪聲敏感程度不同，學(xué)校、醫(yī)院、住宅區(qū)的人群對噪聲承受能力更弱，因此從起點GYA至終點AGVOS，選取肇慶市第三人民醫(yī)院、白妮華立醫(yī)院、金沙中學(xué)、羅村中心小學(xué)四處為噪聲敏感點，如圖4所示，根據(jù)本文第1章理論可計算噪聲敏感點噪聲數(shù)據(jù)變化，CDA程序較IAP程序在各噪聲敏感點減噪效果如表4所示。

圖4 GYA至AGVOS間噪聲敏感點Fig.4 Noise sensitive point from GYA to AGVOS

表4 CDA程序減噪時間Tab.4 Noise abatement time of CDA procedure

通過分析廣州白云機場GYA進場點噪聲數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：

1）與IAP程序相比，CDA程序減噪效果明顯；

2）隨著噪聲等級的提高，CDA程序的地面及空間減噪效果越明顯；

3）CDA程序在各噪聲敏感點減噪效果明顯。

2.4 影響原因分析

由NPD數(shù)據(jù)可知，影響噪聲的兩大因素分別是推力和斜距，而影響斜距的兩個因素分別是水平距離和高度，由于IAP程序與CDA程序地面軌跡相同，所以影響IAP程序和CDA程序噪聲的兩個直接因素就是推力和高度。圖5（a），圖5（b）分別是IAP程序與CDA程序的推力和高度變化對比圖，這里的橫坐標(biāo)“Distance”是指飛機距起始進近定位點（AGVOS）距離。

由圖5（a）可知在距離相同情況下CDA程序推力始終低于IAP程序推力；由圖5（b）可知在距離相同情況下CDA程序飛行高度始終高于IAP程序高度，由于IAP程序與CDA程序地面軌跡相同，故CDA程序斜距始終大于IAP程序斜距。根據(jù)B767-300機型NPD數(shù)據(jù)可知，在相同斜距下，推力越小噪聲值越?。煌瑯樱谙嗤屏ο?，斜距越大噪聲值越小。在整個進場過程中CDA程序推力始終小于IAP程序推力，CDA程序斜距始終大于IAP程序斜距，故CDA程序與IAP程序相比能夠明顯減少噪聲。

圖5 推力和高度對比Fig.5 Com parison of thrust and altitude

3 結(jié)論

基于BADA模型構(gòu)建了航空器航跡預(yù)測模型，基于NPD數(shù)據(jù)庫構(gòu)建機場噪聲評估模型，分析了IAP程序在地面和空間的噪聲影響范圍，通過CDA程序減噪，并從地面、空間、時間等維度詳細分析了CDA程序的減噪效果，最后從推力和高度兩個角度深入分析了CDA的減噪原因。

以廣州白云機場GYA進場點為例進行減噪研究，結(jié)果表明：①與IAP程序相比，CDA程序減噪效果明顯，且減噪效果隨著噪聲等級的提高而提高；②CDA程序較IAP程序減噪的原因是較低的飛行推力和較高的飛行高度。

當(dāng)然，本文僅從理論上研究了CDA程序在地面和空間的減噪效果，對真機試驗的實證分析仍需進一步研究。

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Research on Airport Noise Evaluation and Control Based on Continuous Descent Arrival

Hu Rong，Xu Yuefeng，Li Dongya，Zhang Junfeng
（College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

To investigate the influence of aircraft noise on the ground and space，the aircraft trajectory predictionmodel based on BADAmodelwas established and airport noise evaluationmodel was formulated based on NPD database.Theoretical analysis and numerical simulation were provided to study the influence of airport noise and quantify the CDA procedure noise abatement effect from the view of ground influence，space influence，influence time based on GYA arrival point of Guangzhou Baiyun International Airport.The results show that compared with the IAP procedure，the CDA procedurehas amore significant effect on noise abatement，especially with the increase of the noise level，which results from lower thrust andhigher flight altitude.

air transportation；noise abatement；BADAmodel；continuous descent arrival；noise evaluation

1005-0523（2017）05-0042-07

X827

A

2017－05－09

國家自然科學(xué)基金（71401072，71201082）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金（NR2014007，NS2015068）；江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程（SJLX16_0118）；研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金/（kfjj20160702）

胡榮（1980—），男，副教授，博士，研究方向為民航可持續(xù)發(fā)展。

（責(zé)任編輯 劉棉玲）