機場周圍區(qū)域飛機噪聲監(jiān)測方法對比研究

汪 贇，白 煜，沈 松，趙佳美，溫香彩

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.寧波市環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 寧波 315012 3.北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京 100054

近年來，我國機場建設(shè)快速發(fā)展，民用機場數(shù)量從2006年的142個增至2016年的218個，增長了53.5%，機場噪聲也受到了更多關(guān)注[1-2]。我國機場周圍飛機噪聲監(jiān)測與評價的2項國家標準《機場周圍飛機噪聲環(huán)境標準》(GB 9660—1988)[3]和《機場周圍飛機噪聲測量方法》(GB 9661—1988)[4]自1988年發(fā)布已使用了30 a，正在進行修訂。此次修訂中最重要的修改是噪聲評價量由計權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級LWECPN改為晝夜等效聲級Ldn。LWECPN是國際民航組織(ICAO)推薦的飛機噪聲評價量，該評價量基于噪度，考慮了純音修正，在監(jiān)測單次飛機噪聲時更符合人的主觀感受。Ldn(或Lden)是目前國際上美國、歐洲等使用的機場周圍飛機噪聲評價量[5]，該評價量基于響度，被認為是更適合評價多次飛機經(jīng)過的長期影響。監(jiān)測方法與評價量的更改會帶來標準限值和監(jiān)測結(jié)果歷史連續(xù)性的問題[6-7]。為了探討2個評價量LWECPN與Ldn的聯(lián)系與差異，本文通過理論推導(dǎo)和對典型機場的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，對2種監(jiān)測與評價方法進行對比，以期為后續(xù)工作提供指導(dǎo)。

1 監(jiān)測概況

1.1 監(jiān)測機場

機場一般分為軍用和民用2類，其中民用機場中有運輸機場、通用機場等類型。民用運輸機場為供運輸旅客或貨物的民用機場，因一般與城市距離較近，起降架次較多，噪聲影響較大。本文選擇民用運輸機場中寧波櫟社國際機場為代表，該機場位于中國浙江寧波鄞西平原，距市區(qū)僅12 km，為浙江寧波的4E級民用機場。該機場于1990年6月30日正式建成通航，飛行區(qū)跑道長3 200 m，停機位20個。2016年，寧波櫟社國際機場旅客吞吐量779.23萬人次(全國排名34位)，貨郵吞吐量10.70萬t(全國排名24位)，運輸起降6.36萬架次(日均起降約174架次，全國排名第42位)。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測

寧波櫟社機場的跑道為“東南-西北”方向。監(jiān)測點位布設(shè)在寧波櫟社機場航線附近受到飛機噪聲影響的2個住宅小區(qū)內(nèi)。1#點位位于機場東南方向，與機場距離1.4 km。2#點位位于機場的西北方向，與機場距離1.6 km。每個測點連續(xù)監(jiān)測1 d。監(jiān)測點位的相關(guān)信息見表1。監(jiān)測點位與機場、航線相對位置圖見圖1。

表1 監(jiān)測點位相關(guān)信息Table 1 Information of the monitoring points

圖1 監(jiān)測點位與機場、航線相對位置圖Fig.1 Relative location of the monitoring points, the airport and the airlines

1.3 監(jiān)測方法

機場噪聲監(jiān)測是采用噪聲事件監(jiān)測法，即把每次飛機經(jīng)過時的噪聲作為一噪聲事件。噪聲事件具有持續(xù)時間短和聲級較高的特點，僅監(jiān)測噪聲事件期間的聲級，排除了其他時間段環(huán)境噪聲干擾，根據(jù)一段時間內(nèi)總的噪聲事件次數(shù)，把噪聲事件聲能量平均到整段時間內(nèi)得到這段時間的等效聲級。因此機場周圍飛機噪聲監(jiān)測被分為單次飛機噪聲事件的監(jiān)測和一段時間內(nèi)等效聲級的測量。

同步采用現(xiàn)行標準和修訂標準中的監(jiān)測方法開展監(jiān)測，2種監(jiān)測方法主要的區(qū)別：①單次飛機噪聲的監(jiān)測量不同，現(xiàn)行標準中監(jiān)測量為有效感覺噪聲級LEPN(使用簡易法監(jiān)測時實際監(jiān)測量為最大聲級LAmax和持續(xù)時間td)，修訂標準監(jiān)測量為暴露聲級LAE和最大聲級LAmax；②計算一晝夜等效聲級的時段劃分方式和計權(quán)不同，現(xiàn)行標準中把一晝夜劃分為晝間、傍晚、夜間3個時間段，修訂標準中僅劃分晝間和夜間2個時間段。

分別分析單次飛機噪聲事件和一晝夜等效聲級測量中2種測量方法的區(qū)別對評價量LWECPN與Ldn的影響。

2 單次飛機噪聲事件

2.1 LEPN與LAE的定義與測量方法

單次飛機噪聲是指單次飛機經(jīng)過期間內(nèi)的噪聲。有效測量時間為單次飛機噪聲事件最大聲級(Lmax)以下10 dB(A)的起始(t1)到終止(t2)的持續(xù)時間td(s)，td=t2-t1。現(xiàn)行標準中單次飛機噪聲的監(jiān)測量是有效感覺噪聲級LEPN，其計算公式：

(1)

式中：LTPNi為第i個飛機噪聲事件的經(jīng)純音修正的感覺噪聲級；T0為計算LEPN的標準時間，10 s；n為實際持續(xù)時間td內(nèi)的采樣數(shù)。

在實際監(jiān)測時一般采用簡易法，即用每次飛機經(jīng)過期間的最大A聲級LAmax和持續(xù)時間td近似計算LEPN，其計算公式：

LEPN=LAmax+10lg(0.5td/T0)+13=

LAmax+10lg(0.5td)+3

(2)

修訂標準中單次飛機噪聲事件用暴露聲級LAE表示，計算公式[8-10]：

(3)

式中：LAE為單次飛機噪聲事件的暴露聲級，dB(A)；T1為計算LAE的標準時間，1 s。

2.2 LEPN與LAE差值的理論推導(dǎo)

為比較單次飛機噪聲監(jiān)測量LEPN與LAE的差值，假設(shè)在測量過程中飛機勻速直線運動，用理論推導(dǎo)的方法，從式(2)和式(3)推導(dǎo)兩者差異。

假設(shè)飛機在td時間內(nèi)勻速直線通過監(jiān)測點位，速度為v0，與監(jiān)測點位最短距離為d，與監(jiān)測點位直線距離為r，與監(jiān)測點位水平距離為x，如圖2所示。

圖2 飛機與監(jiān)測點位相對位置圖Fig.2 Relative location of the airplane and the monitoring point

飛機可近似為點聲源，測點處飛機噪聲聲級隨飛機與測點距離變化為

L(x)=LAmax-20lg(r/d)

(4)

因此，飛機噪聲較LAmax衰減10 dB時，即LAmax-L(x)=10，對應(yīng)飛機與監(jiān)測點位距離r1為

r1=100.5d

(5)

相應(yīng)的飛機與測點水平距離為

(6)

飛機與測點水平距離3d以內(nèi)時為單次飛機事件噪聲值的主要貢獻，距離3d以上時飛機噪聲衰減達10 dB以上，影響較小。

由于v0td=6d，可計算此過程內(nèi)飛機噪聲暴露聲級：

LAmax+10lg(0.42td)≈LAmax+10lg(0.5td)-0.75

(7)

比較式(2)與式(7)，LEPN與LAE的關(guān)系可近似為LEPN-LAE≈3.75。

2.3 LEPN與LAE差值的測量結(jié)果

在對寧波機場周圍飛機噪聲測量期間，起飛方向共經(jīng)過了飛機91架次，降落方向共經(jīng)過了飛機96架次。對每次飛機噪聲事件，分別按現(xiàn)行標準中簡易法和修訂標準中監(jiān)測方法測量了LAmax、LEPN和LAE。測量結(jié)果見表2。

表2 單次飛機噪聲測量結(jié)果Table 2 Noise monitoring results of the flights

比較不同機型的飛機噪聲，此次監(jiān)測中，在起飛方向空客321噪聲值最高，與空客320相比，LAmax高2.7 dB,LEPN和LAE均高2.4 dB；與波音737相比，LAmax高0.8 dB,LEPN高1.0 dB，LAE高1.2 dB。在降落方向波音737噪聲值最高，與空客320相比，LAmax高1.4 dB,LEPN和LAE均高0.9 dB；與空客321相比，LAmax高0.9 dB,LEPN和LAE均高0.6 dB。

統(tǒng)計各次飛行事件飛機噪聲的LAmax、LEPN和LAE四分位分布情況(見圖3)。雖然測點1與機場距離更近，但由于測點1與航跡距離較遠且測點1處飛機高度較高，噪聲值較低。

圖3 LAmax、LEPN和LAE的四分位分布Fig.3 The interquartile range of LAmax, LEPN and LAE

計算每次飛機噪聲事件的LEPN和LAE的差值，如圖4所示。與理論推導(dǎo)相比，實際測量時每次飛機噪聲事件的LEPN和LAE的差值不同，范圍2.1～5.5 dB。

圖4 LEPN和LAE的差值分布情況Fig.4 The distribution of the difference between LEPN and LAE

不同測點、機型的單次飛機噪聲LEPN和LAE差值的統(tǒng)計結(jié)果見表3和表4。

表3 單次飛機噪聲LEPN和LAE的差值Table 3 The difference value between LEPN andLAE of every flight

從統(tǒng)計結(jié)果可見，此次監(jiān)測中起飛方向和降落方向2個測點的LEPN和LAE的差值有顯著差異，起飛方向低于降落方向；不同機型間的LEPN和LAE的差值無顯著差異。

表4 顯著性檢驗Table 4 Significance test

分析理論推導(dǎo)和實際監(jiān)測結(jié)果存在不一致的原因：LEPN簡易測量法采用最大A聲級LAmax和持續(xù)時間td計算，LAmax是單一時刻的瞬時值，td由噪聲事件起始點和終止點確定，因此LEPN只由噪聲事件聲級時序曲線中的3點即可確定；而LAE是對飛機噪聲事件全過程的聲級積分，過程中所有噪聲變化都計入在內(nèi)。根據(jù)理論推導(dǎo)，飛機勻速直線飛行時2個監(jiān)測量約相差3.75 dB，但實際上每個飛機噪聲事件因飛機飛行程序、航跡、周圍傳播環(huán)境等存在區(qū)別，LEPN與LAE的差值并不相同。若最大聲級LAmax受到其他聲源干擾、測量點附近有較大遮擋物(如山體、建筑等)、監(jiān)測期間飛機航跡變化較大(如飛機轉(zhuǎn)彎、升高降低或加速等)，則LEPN與LAE的差值與3.75 dB相差較大，如測點1#處于飛機轉(zhuǎn)彎位置，不同機型LEPN與LAE的差值分別為2.6 dB和2.7 dB。

3 一晝夜的等效聲級的測量及計算

3.1 LWECPN與Ldn的定義與計算方法

機場噪聲評價以一晝夜為基本時間單位，對一晝夜內(nèi)所有飛機噪聲事件的噪聲級，經(jīng)能量平均后等效為一晝夜的等效聲級。因夜間時段應(yīng)該保證更安靜的聲環(huán)境，因此不同時段的飛機噪聲權(quán)重不同。

(8)

(9)

3.2 LWECPN與Ldn差值的理論推導(dǎo)

根據(jù)LWECPN和Ldn的定義公式比較兩者區(qū)別，兩者差值：

(10)

3.2.1 傍晚航班對評價結(jié)果的最小影響

若傍晚時間段無航班，即N2=0，2種計權(quán)方法中一天內(nèi)總飛行次數(shù)沒有差別：

(11)

3.2.2 傍晚航班對評價結(jié)果的最大影響

若全部航班都在傍晚，即N1=N3=0，則2種計權(quán)方法的一天內(nèi)總飛行次數(shù)相差3倍：

(12)

3.2.3 一般情況下傍晚航班對評價結(jié)果的影響

一般情況民用運輸機場全天除夜間00:00—05：00無航班起降或數(shù)量極少，其余每小時航班數(shù)量較均勻，即N1∶N2∶N3=13∶3∶3，則：

(13)

因此，傍晚航班引起的LWECPN與Ldn的差值變化范圍為0～4.8 dB，一般情況下約為0.8 dB。

3.3 LWECPN與Ldn的實測結(jié)果

此次寧波機場噪聲監(jiān)測中，起飛和降落方向全天不同時段飛行次數(shù)監(jiān)測結(jié)果見表5。測點1處傍晚航班數(shù)量為10次，占全天航班次數(shù)的6.1%，測點2處傍晚航班數(shù)量為19次，占全天航班次數(shù)的11.8%。根據(jù)晝間、傍晚和夜間時段各自的飛行次數(shù)，采用2種計權(quán)計算了一晝夜總飛行次數(shù)。

表5 不同時段飛行次數(shù)Table 5 The number of flights during differenttime periods of the day

表6 一晝夜Ldn和LWECPNTable 6 Ldn and LWECPN during a day and night dB

4 結(jié)論

本文通過理論推導(dǎo)和實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入分析了機場噪聲現(xiàn)行標準與修訂標準中2種監(jiān)測方法的區(qū)別：

1)單次飛機噪聲監(jiān)測量不同，分別是LEPN和LAE。LEPN的簡易測量法采用LAmax和td計算，LAmax是單一時刻的瞬時值。LAE則是對飛行時間全過程積分。在飛機勻速直線經(jīng)過時兩者差值約為3.75 dB。實際上LEPN和LAE的差值與飛行航跡、飛機運動狀態(tài)、噪聲傳播環(huán)境、突發(fā)噪聲干擾等因素相關(guān)，本次監(jiān)測的187次飛機LEPN和LAE的差值為2.1～5.5 dB。

2)對一晝夜時間段劃分方式和計權(quán)不同。現(xiàn)行標準把全天劃分為晝間、傍晚和夜間3段，修訂標準只劃分為晝間和夜間2段。傍晚飛行次數(shù)引起的評價結(jié)果差異為0～4.8 dB，一般情況下為0.8 dB。

因此，在飛機近似勻速直線經(jīng)過測點且全天起降架次較均勻(除夜間00:00—05:00無航班)的情況下，LWECPN與Ldn的差值約為14.55 dB。