民機(jī)適航審定噪聲的純音修正方法

宋亞輝 張曉亮

(中國飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所 西安 710089)

0 引言

“CCAR-36航空器型號和適航合格審定噪聲規(guī)定”[1](以下簡稱“CCAR-36”)和“國際民用航空公約-附件16-環(huán)境保護(hù)手冊-卷I”[2](以下簡稱“ICAO附件16”)規(guī)定，大型運(yùn)輸類民機(jī)適航合格審定噪聲水平評定量為有效感覺噪聲級(effective perceived noise level,EPNL)。有效感覺噪聲級是通過傳聲器測量的聲壓級經(jīng)過一系列計(jì)算得到的，考慮了飛機(jī)噪聲對人主觀感覺的影響。通常，飛機(jī)噪聲頻譜中包含有純音成分[3]，與相同頻域分布且聲壓級相當(dāng)?shù)脑肼曄啾?，具有純音成分的噪聲人耳聽起來感覺更大[4?6]?！癈CAR-36”和“ICAO附件16”規(guī)定，在有效感覺噪聲級計(jì)算中，通過計(jì)算純音修正因子來考慮飛機(jī)噪聲中純音成分對人聽覺的影響。

有效感覺噪聲級是20世紀(jì)50～60年代開展的心理聲學(xué)研究的成果[6?9]，用于飛機(jī)噪聲對人的主觀感受的度量，由感覺噪聲級經(jīng)過純音修正和噪聲持續(xù)時間修正計(jì)算得出。感覺噪聲級的計(jì)算方法是通過人對白噪聲的聽覺試驗(yàn)得到的，未考慮純音成分對人聽覺的影響，這就是民機(jī)適航審定噪聲需要進(jìn)行純音修正的原因。實(shí)際上，純音修正因子是一種人為的度量規(guī)定，是飛機(jī)噪聲對人主觀影響的一個數(shù)值評價量。根據(jù)“CCAR-36”和“ICAO 附件16”，有效感覺噪聲級有

式(1)中，PNLTM為最大純音修正感覺噪聲級，D是持續(xù)時間修正因子，且

其中：k為時間段序號，表示將連續(xù)測量的飛機(jī)噪聲以一定時間間隔(通常取0.5 s)分段，對每段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；PNL(k)是感覺噪聲級，由第k時間段的中心頻率在50 Hz至10 kHz范圍的1/3倍頻帶聲壓級換算成的感覺噪度(吶)相加得到的；C(k)是純音修正因子；?t(k)為第k時間段的時間長度；n為PNLTM-10區(qū)間內(nèi)包含的時間段個數(shù)；max()表示取最大值。

根據(jù)式(1)～(3)，在有效感覺噪聲級計(jì)算中，引入純音修正因子對噪聲水平進(jìn)行修正。當(dāng)考慮測量的噪聲頻譜中的純音成分時，純音修正因子影響參與計(jì)算的所有中間參量值，影響PNLTM-10區(qū)間大小，從而影響有效感覺噪聲級結(jié)果。實(shí)現(xiàn)純音修正因子的準(zhǔn)確計(jì)算，對民機(jī)適航審定噪聲的有效感覺噪聲級評定具有重要意義。

國內(nèi)外適航規(guī)章中規(guī)定的純音修正因子計(jì)算方法最早可追溯至1969年美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布的“FAR PART 36”[10]，該方法隨后被國際民航組織發(fā)布的“ICAO附件16”采用，“CCAR-36”實(shí)際上是沿用了該方法[1,11]。根據(jù)“CCAR-36”，純音修正因子計(jì)算由十個步驟組成，但是實(shí)際應(yīng)用中僅采用十個步驟是不夠的，純音修正因子受背景噪聲、測試系統(tǒng)頻響特性、數(shù)據(jù)精度、純音頻帶分割、數(shù)據(jù)調(diào)整方法和虛假純音等影響[12?13]，應(yīng)在計(jì)算中考慮，因此需要對純音修正因子的計(jì)算方法和在試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文基于“CCAR-36”和“ICAO附件16”中的基本方法，對影響純音修正因子計(jì)算的因素進(jìn)行分析，將各個影響因素融入具體的計(jì)算步驟，得到了可直接應(yīng)用于大型運(yùn)輸類民機(jī)適航審定噪聲的純音修正方法。結(jié)合某型民機(jī)噪聲適航審定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用分析。

1 純音修正因子計(jì)算的影響因素

1.1 噪聲測試系統(tǒng)頻響修正

根據(jù)“CCAR-36”和“ICAO附件16”，用于純音修正因子計(jì)算的1/3倍頻帶聲壓級應(yīng)進(jìn)行測試系統(tǒng)頻響修正。一般測試系統(tǒng)頻響修正[14?15]包括兩部分：一是傳聲器系統(tǒng)的防風(fēng)罩和聲入射方向影響等修正；二是除傳聲器外的測試通道的頻率響應(yīng)修正。需要注意的是，被背景噪聲掩蔽的噪聲在重建后無需進(jìn)行測試系統(tǒng)頻響修正。

1.2 背景噪聲修正

適航噪聲測量不可避免受到背景噪聲影響[16]，“CCAR-36”和“ICAO附件16”規(guī)定，對于被背景噪聲掩蔽的頻帶，計(jì)算純音修正因子時不需要考慮。因此，在計(jì)算純音修正因子前，應(yīng)完成背景噪聲修正。對于純音修正因子計(jì)算而言，主要是確定PNLTM-10區(qū)間內(nèi)飛機(jī)噪聲被背景噪聲掩蔽的頻帶。掩蔽標(biāo)準(zhǔn)取為試驗(yàn)前后測量的背景噪聲的1/3倍頻帶聲壓級加上3 dB，若測量的飛機(jī)噪聲的1/3倍頻帶聲壓級小于以上標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該頻帶的飛機(jī)噪聲被掩蔽，未被掩蔽的最后一個頻帶稱為“最后一個好的頻帶”(Last good band,LGB)。需要注意的是，LGB應(yīng)大于等于630 Hz，否則認(rèn)為這次試驗(yàn)是無效的。背景噪聲修正完成后，應(yīng)將LGB作為純音修正因子計(jì)算的最高頻帶。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算精度調(diào)整

根據(jù)“CCAR-36”和“ICAO附件16”，計(jì)算有效感覺噪聲級的中間過程噪聲數(shù)據(jù)精度為0.01，但計(jì)算純音修正因子時必須將數(shù)據(jù)精度調(diào)整為0.1。在純音修正因子計(jì)算過程中，需要先識別1/3倍頻程譜中的顯著純音成分，在某些情況下，相鄰頻帶微小的聲壓級差異也可能導(dǎo)致其中一個頻帶被識別為存在顯著純音，導(dǎo)致出現(xiàn)過度的純音修正。這實(shí)際上是人為制定的識別顯著純音成分的算法導(dǎo)致的，因此通過調(diào)整數(shù)據(jù)精度，減小純音成分的識別受微小聲壓級差的影響。

1.4 純音頻帶分割修正

“CCAR-36”和“ICAO附件16”規(guī)定，應(yīng)在純音修正因子計(jì)算中證明無重要的顯著純音被記錄在相鄰的1/3倍頻帶上，若有顯著純音被記錄在兩個相鄰的1/3倍頻帶上，應(yīng)將純音修正調(diào)整到完全記錄在單個1/3倍頻帶上的數(shù)值，即進(jìn)行純音頻帶分割修正。純音頻帶分割出現(xiàn)的原因是，當(dāng)飛機(jī)純音成分出現(xiàn)在1/3倍頻帶邊緣附近時，在對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻譜分析時，純音成分可能被計(jì)算入相鄰兩個頻帶，導(dǎo)致純音修正因子被低估。

純音修正因子計(jì)算中，必須對PNLTM處出現(xiàn)的純音頻帶分割現(xiàn)象進(jìn)行純音頻帶分割修正。令PNLTM出現(xiàn)的時間段序號為kM，相應(yīng)的純音修正因子為C(kM)，出現(xiàn)純音頻帶分割的判定標(biāo)準(zhǔn)為C(kM)小于C(kM?2)至C(kM+2)五個純音修正因子的算術(shù)平均值。純音頻帶分割修正方法是調(diào)整第kM個時間段的純音修正因子C(kM)，令

然后，采用新的純音修正因子C′(kM)替代原來的純音修正因子C(kM)，重新計(jì)算PNLTM值和PNLTM-10區(qū)間。

1.5 噪聲結(jié)果向基準(zhǔn)條件調(diào)整

根據(jù)“CCAR-36”和“ICAO附件16”，噪聲適航審定試驗(yàn)中的氣象條件[17]、飛行航跡與基準(zhǔn)條件不同時，需要將結(jié)果調(diào)整到基準(zhǔn)條件下。這里以完整調(diào)整方法為例分析噪聲結(jié)果向基準(zhǔn)條件調(diào)整對純音修正因子計(jì)算的影響。完整調(diào)整方法需要將背景噪聲修正和測試系統(tǒng)頻響修正后的1/3倍頻帶聲壓級調(diào)整至基準(zhǔn)條件下，然后按照正常步驟計(jì)算有效感覺噪聲級，顯然純音修正因子需要重新計(jì)算。盡管計(jì)算方法相似，但需要進(jìn)行以下處理：(1)純音修正因子計(jì)算時仍需要將1/3倍頻程數(shù)據(jù)精度調(diào)整為0.1；(2)仍然采用實(shí)測噪聲的LGB作為純音修正因子計(jì)算的最高頻帶；(3)純音頻帶分割修正是針對PNLTrM對應(yīng)的純音修正因子進(jìn)行，PNLTrM出現(xiàn)的時刻可能與PNLTM不同。

1.6 虛假純音修正

噪聲測量不可避免受到試驗(yàn)環(huán)境的影響，如傳聲路徑上大氣不均勻性和擾動、地面對聲波傳播的影響等，這些影響因素導(dǎo)致測量的噪聲頻譜中含有非飛機(jī)噪聲的純音成分，通常稱為虛假純音[12?13,18?19]?！癈CAR-36”和“ICAO附件16”指出由虛假純音引起的頻譜不規(guī)則性在計(jì)算純音修正因子時無需考慮，需要去除其影響，這稱為虛假純音修正。通常虛假純音可導(dǎo)致純音修正因子計(jì)算值偏大，使有效感覺噪聲級被高估。虛假純音修正應(yīng)該在純音分割修正前完成。

2 純音修正計(jì)算方法

考慮測試系統(tǒng)頻響修正、背景噪聲修正、數(shù)據(jù)計(jì)算精度調(diào)整、純音頻帶分割修正、虛假純音修正和噪聲結(jié)果向基準(zhǔn)條件調(diào)整等影響因素，基于“CCAR-36”和“ICAO附件16”中的計(jì)算純音修正因子的方法，將純音修正因子的具體計(jì)算步驟調(diào)整為

(1)對第k個時間段的實(shí)際噪聲1/3倍頻帶聲壓級進(jìn)行測試系統(tǒng)頻響修正。

(2)對第k個時間段的噪聲1/3倍頻帶聲壓級進(jìn)行背景噪聲修正，找出LGB(k)。

(3)將1/3倍頻帶聲壓級數(shù)據(jù)精度調(diào)整為0.1。

(4)計(jì)算第k個時間段的1/3倍頻帶聲壓級的變化，即頻帶聲壓級的斜率，有

式(5)中，i為中心頻率在50 Hz～10 kHz范圍的1/3倍頻帶序號，取4 6i6 24；SPL(i,k)表示第k個時間段的第i個1/3倍頻帶聲壓級。

(5)圈出斜率變化的絕對值?s(i,k)大于5的s(i,k)，而

(6)若圈出的s(i,k)的數(shù)值為正，且s(i,k)>s(i?1,k)，則圈出SPL(i,k)，若圈出的s(i,k)的數(shù)值小于等于零，且s(i?1,k)>0，則圈出SPL(i?1,k)。

(7)對未圈出的聲壓級， 令新的聲壓級SPL′(i,k)等于原聲壓級SPL(i,k)，對圈出的聲壓級，有

式(7)中，iLGB是k時刻背景噪聲修正LGB的頻帶序號。

(8)根據(jù)第(7)步計(jì)算的新聲壓級計(jì)算頻帶聲壓級的斜率，有

(9)計(jì)算第(8)步的頻帶聲壓級的斜率的算術(shù)平均值，即

(10)按式(10)計(jì)算1/3倍頻帶本底聲壓級，即

(11)計(jì)算原聲壓級與本底聲壓級的差F(i,k)，記錄等于或大于1.5的值，而

(12) 根 據(jù)F(i,k)的值按照“CCAR-36”中表A36-2要求計(jì)算1/3倍頻帶純音修正因子Ctemp(i,k)。

(13)按式(12)計(jì)算純音修正因子C(k)，

(14)按式(13)將1/3倍頻帶聲壓級SPL(i,k)調(diào)整至基準(zhǔn)條件下，然后按照步驟(3)至步驟(13)計(jì)算基準(zhǔn)條件下的純音修正因子Cr(k)，其中背景噪聲修正的LGB(k)仍然采用步驟(1)的結(jié)果。

式(13)中，α(i)和α0(i)分別是試驗(yàn)和基準(zhǔn)條件下的聲衰減系數(shù)，QK(k)和QrKr(k)分別是試驗(yàn)和基準(zhǔn)條件下的傳聲路徑長度。

(15)對試驗(yàn)和基準(zhǔn)條件下的純音修正因子進(jìn)行虛假純音修正，對于識別出存在虛假純音的頻帶ia，令步驟(11)的F(ia,k)為零，按照步驟(12)至步驟(14)重新計(jì)算純音修正因子。

(16)對PNLTM所處的第kM個時間段對應(yīng)的試驗(yàn)和基準(zhǔn)條件下的純音修正因子C(k)和Cr(k)進(jìn)行純音頻帶分割修正。

至此，完成了試驗(yàn)條件下和基準(zhǔn)條件下的純音修正因子的計(jì)算，然后采用式(1)至式(3)即可進(jìn)行有效感覺噪聲級的計(jì)算。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖1為國產(chǎn)某型運(yùn)輸類噴氣式民機(jī)適航噪聲試驗(yàn)示意圖。采用等效試飛方法[1?2]進(jìn)行飛越、橫側(cè)和進(jìn)場噪聲試驗(yàn)。飛越噪聲和進(jìn)場噪聲試驗(yàn)采用改變發(fā)動機(jī)功率(發(fā)動機(jī)功率表征參量為修正的N1歸一化轉(zhuǎn)速[1])飛過噪聲測量點(diǎn)上空相同目標(biāo)高度的方法，橫側(cè)噪聲采用同一發(fā)動機(jī)功率飛過噪聲測量點(diǎn)上空不同目標(biāo)高度的方法，飛行試驗(yàn)采用航跡切入法[20]。

圖1 某型運(yùn)輸類噴氣式民機(jī)適航噪聲試驗(yàn)Fig.1 Noise flight tests of a certain civil transport category jet airplane

圖2給出了飛越(發(fā)動機(jī)功率為87.5%，過頂高度為373.9 m)、橫側(cè)(發(fā)動機(jī)功率為95.7%，過頂高度為314.0 m)和進(jìn)場(發(fā)動機(jī)功率為66.1%，過頂高度為131.2 m)噪聲試驗(yàn)PNLTM-10區(qū)間內(nèi)的LGB?？梢钥闯?，PNLTM-10區(qū)間內(nèi)飛越、橫側(cè)和進(jìn)場實(shí)測噪聲存在不同程度的高頻噪聲掩蔽，影響純音修正因子計(jì)算時的最高頻帶選擇，應(yīng)在純音修正因子計(jì)算時先進(jìn)行背景噪聲修正。

圖2 實(shí)測飛越、橫側(cè)和進(jìn)場噪聲的LGBFig.2 LGB of flyover,lateral and approach noise

圖3為飛越噪聲試驗(yàn)(發(fā)動機(jī)功率為87.5%，過頂高度為373.9 m)的聲壓級結(jié)果，給出了PNLTM-10區(qū)間開始時刻、PNLTM時刻和結(jié)束時刻的試驗(yàn)和基準(zhǔn)條件下的聲壓級?？梢钥闯?，各時刻的1/3倍頻帶聲壓級頻譜存在頻譜不規(guī)則性，由于聲波傳播的多普勒效應(yīng)[21]、聲傳播特性和飛機(jī)噪聲源變化等影響，頻譜不規(guī)則性存在的頻帶不同。將1/3倍頻帶聲壓級由試驗(yàn)條件向基準(zhǔn)條件下調(diào)整并未顯著改變頻譜的不規(guī)則性存在的頻帶，但聲壓級值的變化可導(dǎo)致純音修正因子不同。

圖3 飛越噪聲試驗(yàn)的聲壓級結(jié)果Fig.3 SPL spectrum of flyover noise test

圖4給出了飛越噪聲試驗(yàn)(發(fā)動機(jī)功率為87.5%，過頂高度為373.9 m)基準(zhǔn)條件下 PNLTM-10區(qū)間內(nèi)的純音修正因子及其所處頻帶?？煽闯觯肼曨l譜中存在顯著的純音成分?；鶞?zhǔn)條件下PNLTrM時刻純音修正因子值顯著小于前后時刻的值，經(jīng)計(jì)算存在頻帶分割，需要進(jìn)行純音頻帶分割修正。從所有的飛越、橫側(cè)和進(jìn)場噪聲試驗(yàn)結(jié)果看，出現(xiàn)純音頻帶分割與航跡、噪聲源特性等有關(guān)，但難以確定規(guī)律，在計(jì)算純音修正因子的最后一個步驟進(jìn)行純音頻帶分割判定和修正是必要的。

圖4 飛越噪聲試驗(yàn)基準(zhǔn)條件下純音修正因子及其所處頻帶Fig.4 Tone correction factor and it’s frequency band under reference conditon of flyover noise test

分析圖4還可以發(fā)現(xiàn)，在k為10～24時，純音修正因子出現(xiàn)在100 Hz～315 Hz的低頻頻帶，且出現(xiàn)的頻帶出現(xiàn)了多次變化，可能存在虛假純音。圖5給出了背景噪聲修正和系統(tǒng)頻響修正后的飛越噪聲的聲壓級頻譜的時間歷程，幾乎所有噪聲頻譜在630 Hz以下都有明顯的頻譜不規(guī)則性，這些頻譜的“峰”和“谷”在飛機(jī)飛越測量點(diǎn)過程中呈現(xiàn)出先向低頻移動后向高頻移動的變化趨勢。試驗(yàn)中飛機(jī)以穩(wěn)定飛行狀態(tài)飛越測量點(diǎn)，與測量點(diǎn)相向運(yùn)動速度呈現(xiàn)單調(diào)減小的趨勢，根據(jù)多普勒效應(yīng)，飛機(jī)發(fā)出的純音的頻率應(yīng)一直向低頻移動?？梢耘卸?，飛越噪聲頻譜中含有地面對聲波傳播影響等引起的虛假純音。因此，純音修正因子計(jì)算還需要進(jìn)行虛假純音識別和修正。

圖5 飛越噪聲試驗(yàn)的聲壓級頻譜的時間歷程Fig.5 Time history of SPL spectrum during flyover noise test

圖6 純音修正對EPNL的影響Fig.6 Influence of tone correction on EPNL

根據(jù)“CCAR-36”和“ICAO附件16”，是否對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行純音修正是由噪聲頻譜中是否存在顯著純音確定的，分析圖1中國產(chǎn)某型民機(jī)適航噪聲試驗(yàn)得到的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，飛越、橫側(cè)和進(jìn)場噪聲PNLTM-10區(qū)間內(nèi)大部分的聲壓級頻譜都存在顯著純音，需要進(jìn)行純音修正。為分析純音修正對噪聲適航審定結(jié)果的影響，采用式(1)進(jìn)行有效感覺噪聲級計(jì)算，圖6給出了純音修正對有效感覺噪聲級的影響對比，圖中分別給出了采用本文方法考慮背景噪聲影響、虛假純音影響、純音頻帶分割等的結(jié)果與不考慮以上影響因素的結(jié)果以及不考慮純音修正的結(jié)果?？煽闯觯紤]純音修正的情況下，飛越、橫側(cè)和進(jìn)場噪聲試驗(yàn)的有效感覺噪聲級均增大，說明當(dāng)飛機(jī)噪聲頻譜中存在純音成分時，使人在聽覺上感覺噪聲增大，進(jìn)行純音修正能得到更為真實(shí)反應(yīng)人聽覺的結(jié)果。而且，采用本文方法得到的有效感覺噪聲級比采用原方法的小，表明若不考慮純音修正因子計(jì)算的諸多影響因素，使得有效感覺噪聲級被高估，由于本文方法去除了非飛機(jī)純音影響因素的影響，其結(jié)果更為符合“CCAR-36”和“ICAO附件16”的規(guī)定。因此，考慮純音修正因子計(jì)算的影響因素，研究純音修正因子的實(shí)用計(jì)算步驟，實(shí)現(xiàn)純音修正因子的準(zhǔn)確計(jì)算，對民用飛機(jī)適航審定噪聲的有效感覺噪聲級評定具有重要意義。

4 結(jié)論

(1) 本文基于“CCAR-36”和“ICAO附件16”的基本方法和規(guī)定，得到了適航審定有效感覺噪聲級的純音修正因子完整的計(jì)算方法和計(jì)算步驟。該方法考慮了規(guī)章中要求的影響因素，并將對各影響因素的考慮融入計(jì)算步驟，對規(guī)章中的基準(zhǔn)計(jì)算步驟進(jìn)行了調(diào)整。

(2)通過將該方法應(yīng)用于某型國產(chǎn)運(yùn)輸類民機(jī)適航審定試驗(yàn)的噪聲的純音修正因子計(jì)算和分析表明，實(shí)現(xiàn)純音修正因子準(zhǔn)確計(jì)算對適航審定噪聲的評定有重要意義，本文方法可以直接應(yīng)用于純音修正因子計(jì)算，能可靠地在計(jì)算步驟中考慮各影響因素，避免純音修正因子被高估，提高了有效感覺噪聲級計(jì)算的準(zhǔn)確度，可為國產(chǎn)C919、MA700和AG600等大型運(yùn)輸類民機(jī)型號適航合格審定噪聲試驗(yàn)提供指導(dǎo)。