機場噪聲評價量分析與比較

王艷華，馮 霞，徐 濤

（1.中國民航大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300；2.中國民航信息技術(shù)科研基地，天津 300300）

機場噪聲，又稱航空噪聲，是指航空器在機場及其附近活動（包括起飛、降落、滑行、試車等）時產(chǎn)生的噪聲，屬于交通噪聲的范疇[1，2]。機場噪聲具有聲壓級高，影響范圍廣，非穩(wěn)態(tài)，時空間斷性，累積性等特征[3]。

機場噪聲作為一種環(huán)境公害已日益受到了人們的重視。機場噪聲評價量計算方法和控制標(biāo)準(zhǔn)是機場噪聲評價和控制的重要基礎(chǔ)。目前，我國采用的機場噪聲評價量是國際民航組織（International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO）推薦的計權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級Lwecpn。Lwecpn采用能量平均方法，反映飛機噪聲全天平均每秒鐘對人的沖擊。由于機場噪聲具有高聲級和間歇性等特征，這種按等能量原理相加平均計算噪聲評價量的方法忽視了人的煩惱程度，不能充分評價機場噪聲對人的主觀影響。另一方面，Lwecpn也未考慮機場噪聲對不同人群的危害性差異(如機場噪聲可引起患有心臟病人的病情突發(fā))等。

由于世界各國國情不同、地理位置和文化背景存在差異，各國使用的機場噪聲評價量也不相同。不同的機場噪聲評價量相互間有些存在某種相關(guān)性、一致性，也各有其特點。本文詳細分析和比較各國機場噪聲評價量的異同點，指出它們各自的優(yōu)點和存在問題，是建立較為客觀、全面、且符合我國實際情況的機場噪聲評價量的重要基礎(chǔ)性工作。

1 國內(nèi)外機場噪聲評價量的發(fā)展

國際上從上世紀(jì)50年代后期開始研究適合飛機噪聲特點的機場噪聲評價量計算方法，到上世紀(jì)60年代，許多國家都根據(jù)本國情況提出了自己國家的機場環(huán)境噪聲評價量，也有一些國家總結(jié)出一套相對完整的機場噪聲評價體系，并且將評價量、評價方法步驟、評價程序納入了國家的法律法規(guī)當(dāng)中，強制實施[4]。1961年英國提出噪聲事件指數(shù)（NNI），1964年澳大利亞提出噪聲暴露預(yù)報（ANEF），同年德國提出干擾指數(shù)（Qˉ），美國提出復(fù)合噪聲評價（CNR），法國于1965年提出等干擾指數(shù)（N）。1969年11月，ICAO對有關(guān)機場噪聲問題達成國際協(xié)議，協(xié)調(diào)成員國對飛機噪聲暴露所使用的評價量，但并不限制各國結(jié)合自己實際情況所慣用的評價量和評價方法[5，6]。

1978年以后，美國在總結(jié)機場噪聲評價經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，相繼頒布了聯(lián)邦航空條例第150部（FAR Part 150）[7]和 SAE（Society of Automotive Engineers，美國汽車工程師協(xié)會）AIR 1845[8]，詳細規(guī)定了對新建機場以及原有機場的改擴建進行噪聲評價的程序，噪聲等值線的繪制方法，正式采用DNL作為機場噪聲評價量，提出了綜合噪聲模型INM（Integrated Noise Model），在許多機場的噪聲評價中得到了較為廣泛的應(yīng)用[9]。

1986年，歐洲民用航空會議（European Civil Aviation Conference，簡稱ECAC）針對機場噪聲影響評價體系中最重要的機場噪聲等值線圖的繪制計算環(huán)節(jié)，出版了ECAC.CEAC Doc.29《民用機場周圍噪聲等值線圖標(biāo)準(zhǔn)計算方法研究報告》，并于1997年發(fā)布了第二版修訂版[10]，確定了基于A計權(quán)聲級的DENL（Day-Evening-Night Level）作為機場噪聲評價指標(biāo)，在計算方法上更多的是參照了SAE AIR1845和ICAO（International Civil Aviation Organization，國際民航組織）所推薦的方法。

我國對機場噪聲的研究起步較晚，1983年開始著手制定有關(guān)機場噪聲標(biāo)準(zhǔn)。1984年，由國家環(huán)保局資助，北京環(huán)境監(jiān)測中心站、河北省環(huán)保所、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位聯(lián)合對首都機場、廣州白云機場、石家莊機場等地的機場噪聲進行了大量的測量，經(jīng)分析研究，認(rèn)為LWECPN是一種能較客觀反映機場噪聲級高低的評價量[11]。1988年，國標(biāo)《機場周圍飛機噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》和《機場周圍飛機噪聲測量方法》開始實施[12，13]。國標(biāo)實施以后，我國學(xué)者陸續(xù)對部分國內(nèi)機場噪聲環(huán)境進行了研究[14―18]，并針對現(xiàn)行使用的機場噪聲評價量計權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級提出了改進[19，20]。

2 主要機場噪聲評價量介紹

由于世界各國歷史背景、人文環(huán)境、經(jīng)濟狀況、開放程度以及各國航空業(yè)的發(fā)展水平等方面的差異，其所采用的機場噪聲評價量也不盡相同。表1列出了世界主要國家機場噪聲評價量。

表1中，單噪聲事件是指單架飛機一次飛過對地面產(chǎn)生的噪聲影響；k、Ni分別為不同時段劃分及其對應(yīng)的懲罰系數(shù)，如4Ne表示傍晚（19：00―22：00）的飛行架次數(shù)及其四倍的懲罰。

從表1可以看出，不同噪聲評價量主要的差異表現(xiàn)在單噪聲事件聲級度量指標(biāo)選擇、時段劃分、權(quán)重取值、影響因素選擇及評價指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)等方面。機場單噪聲事件依據(jù)響度和噪度分為四種基本聲級度量[21]：基于噪度的有效感覺噪聲級（EPNL）、最大感覺噪聲級（PNLmax），基于響度的A聲級（LA）、最大A聲級（LAmax）。

3 不同機場噪聲評價量的比較實驗

3.1 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)選自某大型繁忙機場2010年5月1日一晝夜的真實噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)（22.8 M，采樣間隔1 s，包含19723行67列），共22個噪聲監(jiān)測點。經(jīng)過數(shù)據(jù)清理，選取了9個噪聲監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。并結(jié)合當(dāng)天的雷達數(shù)據(jù)（13.0 M，1400行55列）和航班數(shù)據(jù)（1.92 M，2265行114列）進行驗證，對各機場噪聲評價量分別進行了多組實驗對比。實驗數(shù)據(jù)截圖如圖1。

3.2 基于EPNL的機場噪聲評價量的比較實驗

評價量WECPNL和ANEF都是表示飛機噪聲全天平均每秒鐘對人的沖擊，它們的單噪聲事件聲級度量都是基于EPNL，考慮到純音修正、航空器噪聲延續(xù)時間和氣候因素等，采用白天、傍晚、夜間三段時間計權(quán)計算，評價測定和計算較復(fù)雜。兩個評價量不同點是指標(biāo)分別選取不同的懲罰系數(shù)和修正常數(shù)，噪聲控制指標(biāo)分別針對噪聲區(qū)域土地使用類型（適合居住人群）和噪聲區(qū)域土地規(guī)劃。

圖2（a）中給出了監(jiān)測點A到監(jiān)測點I分別應(yīng)用評價量WECPNL和ANEF計算得到的噪聲影響水平，圖2（b）中分析了評價量WECPNL和ANEF相關(guān)性。由實驗結(jié)果可以得到，評價量ANEF比WECPNL對應(yīng)監(jiān)測點的噪聲影響水平計算結(jié)果平均低50.47 dB，兩者之間有較強的線性關(guān)系。雖然評價量WECPNL和ANEF的控制標(biāo)準(zhǔn)不同，但是兩者噪聲影響水平比較一致。

表1 主要國家機場噪聲評價量Tab.1 Airport noise metrics in main countries

3.3 基于PNLmax的機場噪聲評價量的比較實驗

評價量AI、N和NNI的單噪聲事件聲級度量都是基于最大感覺噪聲級PNLmax，評價時段都是劃分為晝間、夜間兩個時段，評價量N更將夜間時段細分為前半夜和后半夜。評價量AI和NNI的控制標(biāo)準(zhǔn)針對煩惱度，評價量N控制標(biāo)準(zhǔn)針對土地使用類型。AI指標(biāo)劃分單一，白天<120 dB，夜間<105 dB即為允許值。

廣義切比雪夫函數(shù)因設(shè)計靈活而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代濾波器的設(shè)計中,與傳統(tǒng)的逼近函數(shù)相比,廣義切比雪夫函數(shù)能夠通過指定任意有限頻率的傳輸零點[1],來增加帶外抑制、提高通道選擇性、減小濾波器體積。

圖2 評價量WECPNL和ANEF的比較Fig.2 Comparison of WECPNL and ANEF

圖3 基于PNLmax的評價量及控制標(biāo)準(zhǔn)Fig.3 The Metrics based on PNLmax

圖3 （a）列出各監(jiān)測點不同評價量的噪聲影響水平，圖3（b）根據(jù)各評價量的噪聲影響水平得到對應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)的比例。由實驗結(jié)果可以看到，評價量NNI雖然噪聲影響計算結(jié)果與評價量WECPNL無較強的線性關(guān)系，但其控制標(biāo)準(zhǔn)比較一致，由于NNI用感覺噪聲級峰值計算單個噪聲事件影響，又指標(biāo)的規(guī)范化常數(shù)不同，相比WECPNL指標(biāo)計算結(jié)果偏低。由圖3（b）實驗結(jié)果表明同一監(jiān)測點、同樣的噪聲強度，評價量N的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)較評價量WECPNL嚴(yán)格，AI的控制標(biāo)準(zhǔn)較寬松。

3.4 基于響度的機場噪聲評價量的比較實驗

評價量DNL和CNE的單噪聲事件聲級度量是基于LA，分別是2時段計權(quán)和3時段計權(quán)，簡化WECPNL的評價指標(biāo)單噪聲事件聲級度量是基于LAMAX，分4時段計權(quán)?？刂茦?biāo)準(zhǔn)是均針對土地使用類型或土地開發(fā)。

圖4 基于響度的評價指標(biāo)及其控制標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 The metrics based on loudness

圖4 （a）列出各監(jiān)測點三個評價量的噪聲影響水平，圖4（b）是基于響度的機場噪聲評價量的噪聲影響水平相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)與評價量WECPNL的控制標(biāo)準(zhǔn)的比較。由圖4可見，并不是每個飛機噪聲評價量都能對機場飛機噪聲的影響評價得到與實際影響相符合的結(jié)果，產(chǎn)生的原因主要是對傍晚和夜間考慮了不同加權(quán)。評價量DNL控制標(biāo)準(zhǔn)較評價量WECPNL嚴(yán)格，而評價量CNE和簡化WECPNL控制標(biāo)準(zhǔn)較寬松。

3.5 實驗結(jié)論

綜合以上實驗對比結(jié)果，可以得到：

(1)單噪聲事件的度量指標(biāo)

各評價量的單噪聲事件度量指標(biāo)是不同的。評價量WECPNL的單噪聲事件度量指標(biāo)是EPNL，基于等能量原理，沒有充分反映“單個事件”噪聲產(chǎn)生的影響，一次飛機噪聲高聲級事件就足以影響人的健康（如心臟病突發(fā)）、講話（如上課、打電話）、睡眠等。尤其在夜間，對睡眠的干擾與最大聲級和噪聲事件數(shù)最相關(guān)。

(2)評價量的控制標(biāo)準(zhǔn)

機場噪聲評價量很多，而評價是否合理的決定因素在于評價量的限值。機場噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該從多維度、多層次展開。維度包括土地規(guī)劃、周邊土地利用類型、居民煩惱度等方面。每個維度上應(yīng)該給出多個層次的評價，以細分明確噪聲影響的程度。

(3)評價量應(yīng)反映出飛機噪聲對不同地區(qū)、不同噪聲敏感點、不同人群的影響

機場噪聲評價量應(yīng)考慮城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)村等不同地區(qū)存在的背景噪音大小不同而區(qū)分人們對于噪聲容忍程度的差別；不同噪聲敏感點(如醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)、商業(yè)、工業(yè)區(qū)等)的噪聲影響是有差異的；不同人群(如不同年齡段人群的健康和疾病情況等)承受噪聲的能力是不同的，因而飛機噪聲在同一點對不同人群形成的影響也不一樣，甚至差異比較大。

(4)飛行架次的考慮

因跑道資源、氣象、航空管制、旅客等多因素的影響，機場進港航班在空中盤旋等待降落，會經(jīng)過多個監(jiān)測點或多次經(jīng)過一個監(jiān)測點；離港航班爬升也會經(jīng)過多個監(jiān)測點。一架次航班的進港或離港，多個監(jiān)測點區(qū)域總的噪聲影響能量是應(yīng)該逐點累計的。

4 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，分析比較世界各個國家和地區(qū)的噪聲評價量及其控制標(biāo)準(zhǔn)，利用某大型機場噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比分析了各國機場噪聲評價量的異同點及存在的問題，并對更科學(xué)地進行機場噪聲評價提出的觀點，為建立客觀、全面、綜合性的符合我國機場實際情況的機場噪聲評價量及評價方法提供參考。

[1]Shashikant R.More.Aircraft noise characteristics and metrics[D].Purdue University,2010.

[2]丁萬昌.機場噪聲控制和環(huán)境影響評價[J].噪聲與振動控制，1988(4)：36-42.

[3]楊尚文.機場航空噪聲影響評價及控制研究[D].中國民航大學(xué),2008.

[4]Willem M.Schuller,Fokke D.vander Ploeg,Peter Bouter.Impact of diversity in aircraft noise ratings[J].NNooiissee Control Engineering,1995,43(6):12-25.

[5]ICAO.Annex 16 Volume I,International standards and recommended practices[Z].Aircraft Noiissee,,1993.

[6]ICAO.Circular 205-AN/1/25.Recommended method for computing noise contours around airports.1988.

[7]FAR 150.Noise Study[Z].USA:1981.

[8]SAE AIR 1845.Procedure for the calculation of airport noise in the vicinity of airports[R].USA:1986.3-33.

[9]王 維.機場航空噪聲暴露—反應(yīng)關(guān)系分析[J].應(yīng)用聲學(xué),2007,26(1):35-40.

[10]ECAC.CEAC Doc 29.Report on standard method of computing noise contours around civil airports[R].France:July,1997.12-13.

[11]鄭大瑞，蔡秀蘭.機場周圍飛機噪聲評價方法的研究[J].聲學(xué)學(xué)報,1991，16(3)：218-229.

[12]GB9660-1988機場周圍航空器噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[S].

[13]GB9661-1988機場周圍航空器噪聲測量方法[S].

[14]沈 穎，陳榮生，吳新泉.機場周圍飛機噪聲評價指標(biāo)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報，1999，29(5)：126-128.

[15]沈洪艷.機場噪聲環(huán)境影響評價的程序和方法[J].重慶環(huán)境科學(xué),2000(4)：24-26.

[16]王 維.我國機場噪聲評價量與噪聲影響的定量關(guān)系[J].應(yīng)用聲學(xué)，2004，23(1)：8-11,34.

[17]劉占良，赫 旭.機場航空噪聲監(jiān)測與評價方法[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報，2006，36(4)：660-664.

[18]張海軍.機場噪聲預(yù)測與評價研究[D].東北林業(yè)大學(xué)，2008.

[19]沈 穎，陳榮生.機場周圍飛機噪聲評價參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)初探[J].噪聲與振動控制，1999，19(2)：33-35；22.

[20]楊冬青.機場周圍飛機噪聲評價指標(biāo)的應(yīng)用及探討[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37(8)：33-35.

[21]高紅武.噪聲控制工程[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.