渦槳飛機噪聲綜述

常玲玲

(中航西飛民用飛機有限責任公司 工程技術中心，西安 710089)

0 引言

和其他運輸方式相比航空運輸具有快捷、安全、舒適等優勢。近年來，航空運輸業的快速發展也帶來油耗增加、環境污染、噪聲污染等一些問題。關于噪聲污染，有關研究者、飛機制造商、航空運輸公司、機場等與航空運輸業相關的人員和實體都越來越重視[1-5]。

對于航空噪聲污染，不同的組織制定了相應的適航噪聲規章。美國聯邦航空局(FAA)通過36-0修正案，采用新的36部噪聲型號適航標準和程序，要求新設計的飛機必須滿足該規章中關于噪聲的規定[6]。1981年，國際民用航空組織(ICAO)出版了第一版環境保護規章，規定了飛機噪聲限值的統一標準[7]。2002年中國民用航空局(CAAC)根據FAR Part 36的相關規定提出了CCAR-36部[8]，以此來規范我國飛機適航噪聲限值。另外，一些國家和組織還制定了關于飛機噪聲的法規標準，對飛機噪聲實行地方管治。我國于1988年頒布實施了《機場周圍飛機噪聲環境標準》[9]，且新的替代標準也在制定當中[10]。

2021年，波音公司發布預測報告稱僅中國未來20年新民用飛機需求量就達8700架[11]。面對如此龐大的需求市場，低噪聲飛機的設計不僅是為滿足越來越高的適航許可證的要求，而且也是飛機制造商迎合市場競爭的重要手段。渦槳飛機是以渦輪螺旋槳發動機作為動力的飛機，適于中速長距離飛行，具有低空和低速性能好、對起降要求低、性價比高、駕駛相對容易等優點，近年來需求量明顯增加。渦槳飛機應用廣泛，支線客機、運輸機、海岸巡邏機和反潛機大多為渦槳飛機，因此，渦槳飛機的噪聲研究具有十分重要的意義。

渦槳飛機的噪聲指標除了需滿足獲取適航許可證的噪聲要求外，還需滿足乘坐舒適性的要求。前者一般稱之為適航噪聲，后者一般指的是艙內噪聲。

1 渦槳飛機的適航噪聲

1.1 渦槳飛機適航噪聲的涵義

適航噪聲是指飛機起飛爬升和著陸進近時存在的各種噪聲源對機場周圍環境的聲輻射總和。適航規章中的適航噪聲指標分橫側噪聲、飛越噪聲和進近噪聲三項。橫側噪聲和飛越噪聲都是飛機起飛爬升到一定高度時，在機場指定點所測得的飛機噪聲的聲輻射總和；進近噪聲則是飛機進近著陸下降到一定高度時，在機場指定點所測得的飛機噪聲的聲輻射總和。

1.2 渦槳飛機適航噪聲的量測

《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》(CCAR-36)、國際民用航空公約附件16《航空器噪聲》及美國聯邦適航條例《噪聲標準:航空器型號和適航合格審定》(FAR36)等都對航空器的適航噪聲驗證測量方法有嚴格的規定，涉及試驗場地要求、飛行基準、航跡確定、測點布置、數據獲取、記錄方法、結果修正及結果的有效性判別等諸多方面，其中絕大部分都給定了嚴格的數據限制或要遵循的相關標準等，但也有個別要求只作了某些限定(航跡檢測、測量結果的有效性分析等)[12]。

我國開展飛機噪聲適航工作依據為《航空器型號和適航合格審定噪聲規定》和《航空器噪聲》，國產飛機進行噪聲適航審定時，運輸類大飛機的測量和計算必須按CCAR-36的程序步驟和實驗設備進行測定，或者用中國民用航空總局批準的等效程序來測定。

飛機噪聲適航審定評價的參數有等效連續A聲級、聲暴露級、感覺噪聲級PNL和噪度PN、有效感覺噪聲級等[13]。本文采用有效感覺噪聲級，它是對感覺噪聲級進行修正后得到的噪聲級(包括持續時間修正和純音修正)，單位為EPNdB。

根據有關規章的要求，渦槳飛機的噪聲適航審定需要測量三個不同位置的噪聲值，即飛越噪聲、橫側噪聲和進近噪聲，其具體測量點位置為：(1)飛越基準噪聲測量點在飛行航跡下方的跑道中心線的延長線上，與起飛滑跑點相距6 500 m；(2)飛越基準噪聲測量點在與跑道平行且與跑道中心線相距650 m的延長線上；(3)進近基準噪聲測量點在飛行航跡下方的跑道中心線的延長線上，與跑道入口點相距2 000 m。圖1所示為飛機滑跑、起飛和進場時的航跡示意圖，圖中同時給出了大型渦槳飛機起飛時橫側噪聲和飛越噪聲的量測點位置(圖1(a))及進近時進近噪聲的量測點位置(圖1(b))。

但在實際中渦槳飛機基準飛越噪聲和進近噪聲測量點是相同的，但不同飛機型號和構型對應的橫側測量點的位置也可能不同[14]。

1.3 渦槳飛機適航噪聲指標現狀

國際民用航空公約中的飛機噪聲級通常每十年修訂一次，每次修訂都降低約10 EPNdB，因此飛機適航噪聲指標設計除滿足第四階段飛機噪聲級外，至少還應有15 EPNdB以上的總裕度以應對不斷更新的飛機噪聲限制標準。

渦槳飛機適航噪聲限值與飛機的最大起飛重量有關，兩者之間的關系如圖2所示。由圖2可知，渦槳飛機的適航噪聲指標中進近噪聲最大，橫側噪聲居中，飛越噪聲最小。

筆者所在單位正在進行某型渦槳飛機的研制，該飛機為雙發動機，設計最大起飛重量為27 500 kg。下面以該型飛機目標噪聲與國際上運營的起飛重量相近的DHC-8-Q400和ATR72-500型渦槳支線飛機噪聲指標為例，了解國際渦槳飛機噪聲指標現狀。由圖2可知，上述三種飛機的噪聲適航噪聲級值都在圖中左側的水平線范圍內。

三種渦槳飛機的適航噪聲值和裕度值示于表1。表1中DHC-8-Q400和ATR72-500渦槳飛機的噪聲值為實測平均值，某型在研渦槳飛機的為設計目標值，裕度值為相對于規章第四階段噪聲級。

表1 渦槳飛機適航噪聲值和裕度值

1.4 渦槳飛機適航噪聲研究現狀

國內對飛機噪聲適航的研究相較于發達國家而言還不是很成熟，渦槳飛機亦是如此。

歐美發達國家對飛機噪聲研究非常重視。國際標準化組織、國際民航組織、美國航空管理局、歐洲民用航空委員會等組織都提出了有關航空器噪聲適航審定方面的若干行業標準、法規及航空器噪聲計算模型。如歐洲民用航空委員會于1987年出版了《民用機場周圍噪聲等值線圖標準計算方法研究報告》，并于2005年進行再次修訂[15-16]。

國外的研究人員對飛機適航噪聲進行了大量的研究。內容涉及飛機設計與噪聲適航審定的關聯[17]、噪聲合格審定的數值方法[18]、飛機噪聲級的修正算法[19]、噪聲的預測方法及優化[20]等方面。

國內研究人員對飛機的適航噪聲也進行了一些相關研究工作，涉及飛機飛行噪聲的預測方法[21]、適航審定規章制度[22]、聲等值線繪制[23]、民航飛機噪聲適航審定試飛基本程序的等效方法[24]、等效飛行試驗程序[25]等。

總體而言，在適航噪聲的研究中，關于橫側噪聲的研究還顯不足。

2 渦槳飛機的艙內噪聲

渦槳飛機艙內噪聲的大小是影響乘坐舒適性的重要因素之一。隨著飛機市場競爭的日趨激烈，艙內噪聲也是決定飛機市場競爭力的重要因素之一。若艙內噪聲過大引起的振動易導致機身結構產生疲勞，也會導致儀器儀表靈敏度降低或出現過早損壞，因此如何降低飛機艙內噪聲具有重要意義。

與適航噪聲不同，不同的國家和地區制定了適用于本國本地區的艙內噪聲標準[26]，目前還沒有公開的國際標準對艙內噪聲加以限制。盡管如此，隨著航空運輸業的快速發展，艙內噪聲指標逐漸成為飛機設計的重要指標之一，且越來越得到重視。近年來，對飛機艙內噪聲的研究報道越來越多。

左孔成等[27]指出，飛機艙內噪聲的控制主要從噪聲源識別、降噪控制措施和噪聲傳遞路徑等三個主要方面開展工作。

2.1 噪聲源

從噪聲源來看，飛機艙內噪聲可由不同的聲源或振源形成，通過空氣或結構傳聲進入艙內[28]。聲源或振源可源自機身內或機身外，聲源或振源的分布取決于機型[29]。渦槳飛機的艙內噪聲主要由其動力裝置渦輪螺旋槳旋轉引起飛機壁板振動而產生的[29]。螺旋槳在運轉時必然會產生噪聲，螺旋槳拖出的渦系可誘發機翼翼面氣流脈動，氣流脈動將會以結構噪聲形式，傳入機艙內部，導致艙內噪聲加大，且螺旋槳輻射的噪聲可誘發結構振動與聲疲勞[30]。此外，渦槳飛機巡航時艙內噪聲的噪聲源還包括艙內環控系統的噪聲及附面層噪聲。

2.2 降噪控制措施

渦槳飛機艙內降噪可分為被動降噪和主動降噪兩類，其中：被動降噪主要為增大噪聲傳遞損失的方法，因飛機重量限制，被動降噪方法的降噪效果有限；主動降噪則是通過設置次級聲源或振源來消除噪聲源的干擾，包括改善噪聲源、優化噪聲傳遞路徑等[27]。

2.3 噪聲傳遞路徑

外部噪聲源主要通過空氣傳聲與結構傳聲兩種途徑進入飛機艙內。外部聲場以及空氣動力壓力場兩部分是空氣傳聲主要來源，主要通過機身、地板等結構傳入艙內。盡管目前民航客機采取了許多降噪措施，但艙內噪聲降噪效果并不理想，主要原因為聲源識別困難及噪聲傳遞路徑識別問題，噪聲傳遞路徑識別問題至今沒有很好解決。

2.4 艙內噪聲研究現狀

艙內噪聲研究報道明顯多于適航噪聲。從相關研究文獻和報道來看，飛機艙內噪聲研究內容主要涉及噪聲機理、噪聲預測、降噪措施等諸多方面，且噪聲機理及噪聲預測研究較為系統。王春輝[31]對螺旋槳飛機艙內噪聲的研究現狀進行總結并采用有限元方法對螺旋槳分級艙內噪聲特點進行分析。

渦槳飛機的艙內噪聲首先需明確艙內噪聲的主要來源及產生的機理。研究表明，飛機艙內噪聲來源主要有發動機噪聲、附面層噪聲、系統管路噪聲、系統成品噪聲、排氣噪聲等[32]。對于渦槳飛機而言，噪聲主要為外部噪聲(發動機動力裝置噪聲和機體結構氣動噪聲)，機體結構和機載設備噪聲，艙內噪聲主要受低頻噪聲的影響[33]。外部噪聲源產生的聲音通過空氣傳到機身引起艙壁振動向艙內輻射引起艙內噪聲。此外，機翼或其他結構部件產生的振動，通過機體結構傳輸，可引起的艙內噪聲?？諝鈧髀暫徒Y構傳聲在艙內相互耦合又會引起結構振動，繼而產生噪聲，如此反復形成最終的艙內噪聲。

研究人員采用不同的方法對艙內噪聲預測分析進行了廣泛研究，常用的分析方法有聲壓矩陣傳遞法、聲阻抗分析方法、有限元法、模態疊加法、邊界元法、統計能量法等[31]。

從艙內噪聲控制研究來看，利用客艙壁板結構隔聲是飛機艙內噪聲控制研究領域中的重要部分[34]。但對于渦槳飛機艙內噪聲而言，傳統的隔聲、吸聲方法對低頻噪聲并不是非常有效，控制噪聲措施還有待深入研究。

此外，機體噪聲是飛機噪聲的重要組成部分之一，也是艙內噪聲來源之一，國內對機體噪聲領域研究開展的相對較晚[35]。

3 結論

渦槳飛機噪聲分為適航噪聲和艙內噪聲，適航規章對適航噪聲有嚴格限制，而艙內噪聲是保證機組人員與旅客機的舒適性需求，適航規章中對艙內噪聲沒有明確要求。適航噪聲指標中的橫側噪聲及艙內噪聲預測方法、噪聲傳遞的路徑識別及機體噪聲等還有待深入。渦槳飛機的噪聲發展趨勢為：

(1)新能源在渦槳飛機中的應用。研究人員已開展新能源在飛機中的應用研究，如俄羅斯已進行氫能飛機、天然氣飛機試航研究，我國研究人員已進行電動螺旋槳飛機艙內噪聲特性的分析研究。新能源在渦槳飛機中的應用是降低噪聲的有效途徑之一。

(2)機體結構和艙內環境聲學優化設計。近年來隨著聲學設計技術和手段的不斷發展，結合聲學進行機體結構和機艙環境聲學的優化設計是降低噪聲的可行途徑。

(3)采用新型材料降噪。隨著航空新材料、復合材料、蜂窩夾層結構、隔音材料的發展，在滿足適航規章防火、阻燃、無毒等要求前提下可在發動機、機體、機艙艙內壁板等處采用吸聲和隔聲性能良好的新型材料以降低噪聲。

(4)加強噪聲傳遞路徑識別研究。噪聲的傳遞路徑主要有空氣傳聲和結構傳聲兩種，但是渦槳飛機噪聲源種類較多且噪聲源產生的噪聲聲學特點不同在傳遞路徑存在相互作用。加強噪聲源噪聲傳遞路徑識別，可設置噪聲傳遞阻尼降低噪聲。

(5)機載設備降噪。渦槳飛機的機載設備包括APU、液壓泵、起落架、換氣系統等，這些機載設備在工作時會產生噪聲，降低機載設備工作時的噪聲，有利于降低渦槳飛機的噪聲。