超聲速飛機(jī)噪聲合格審定標(biāo)準(zhǔn)制定中的關(guān)鍵要素分析

楊曉軍 周昊旻 李國良

摘要：本文對航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）標(biāo)準(zhǔn)制定流程中出現(xiàn)的關(guān)鍵要素進(jìn)行了詳細(xì)分析，以超聲速噪聲合格審定標(biāo)準(zhǔn)制定為例，從度量體系、測試程序、數(shù)據(jù)處理、嚴(yán)格度和成本效益分析這些關(guān)鍵要素著手，介紹了各個關(guān)鍵要素的現(xiàn)狀，得出了超聲速飛機(jī)在起降階段的噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定中可以參考亞聲速飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，而航線噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定正處于起步階段，需要結(jié)合超聲速飛機(jī)特點(diǎn)，制定相應(yīng)的聲爆評價指標(biāo)體系、測試程序及數(shù)據(jù)處理方法，為以后超聲速噪聲合格審定標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

關(guān)鍵詞：超聲速；噪聲；度量體系；合格審定

中圖分類號：V271文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.004

近年來，隨著噪聲合格審定標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，飛機(jī)降噪技術(shù)不斷進(jìn)步，亞聲速飛機(jī)噪聲水平不斷降低。在現(xiàn)有規(guī)章體系中，對沒有特殊類別的超聲速飛機(jī)，但任何新飛機(jī)都要符合亞聲速噪聲審定標(biāo)準(zhǔn)[1]。關(guān)于新一代綠色超聲速民機(jī)的研究[2]，美國、歐洲、俄羅斯等紛紛提出各自的概念方案，在強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)民機(jī)安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)的同時，均把綠色環(huán)保放在至關(guān)重要的位置。我國在超聲速民機(jī)領(lǐng)域也開展了相應(yīng)的研究工作，取得一定的進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受的綠色超聲速飛行仍存在極大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的超聲速飛機(jī)的噪聲合格審定需要更新，以供未來有合適的噪聲裕度。

本文從噪聲審定合格標(biāo)準(zhǔn)制定著手，著重對標(biāo)準(zhǔn)制定中的度量體系、測試程序、數(shù)據(jù)處理、嚴(yán)格度和成本效益等關(guān)鍵要素進(jìn)行分析。

1超聲速飛機(jī)背景

20世紀(jì)60—70年代，英法開始生產(chǎn)“協(xié)和”飛機(jī)并投入市場使用，當(dāng)時雖然憑借超快速度和高安全性吸引了大眾的目光，但是由于飛行噪聲大、燃油成本高、產(chǎn)生的聲爆限制了可行的航線數(shù)量等原因結(jié)束了“協(xié)和”號飛機(jī)的壽命。隨著科技的不斷發(fā)展，人們開始追求快速的交通工具來滿足自己的出行需求，所以，超聲速飛機(jī)再次進(jìn)入制造商的視野，而這次所面臨的挑戰(zhàn)就是開發(fā)滿足環(huán)境要求的超聲速飛機(jī)。

超聲速飛機(jī)的主要環(huán)保難點(diǎn)在于噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性方面，隨著超聲速新技術(shù)的發(fā)展，如等離子激發(fā)射流、高縱橫比噴嘴（HARN）、可變循環(huán)發(fā)動機(jī)（VCE）等[3]，未來會對超聲速飛機(jī)提出更嚴(yán)格的要求，以此來減少對環(huán)境和氣候的影響。許多研發(fā)機(jī)構(gòu)和制造商[4]（包括那些對超聲速飛機(jī)感興趣的制造商）正在采取積極措施來應(yīng)對環(huán)境問題。Gulfstream、Boom、Aerion等許多公司開展了超聲速飛機(jī)項(xiàng)目，見表1。

雖然有很多超聲速飛機(jī)項(xiàng)目都在進(jìn)行中，但關(guān)于超聲速飛機(jī)的噪聲合格審定目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，在國際民航組織（ICAO）發(fā)布的附件16卷I《航空器噪聲》中，規(guī)定可以參考亞聲速噴氣式飛機(jī)的噪聲合格審定作為指導(dǎo)原則，但是對可以接受的聲爆級尚未確定，且不能認(rèn)為與亞聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)相符就可以進(jìn)行超聲速飛行。因此，需要制定適合的超聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)，為超聲速飛機(jī)項(xiàng)目的研制提供確定的監(jiān)管架構(gòu)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)制定的是ICAO的航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）。

2 CAEP環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的制定流程

CAEP制定的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)主要是附件16，目前已經(jīng)成為各國國內(nèi)規(guī)章的重要依據(jù)，歐盟、加拿大、巴西等制造商國家甚至在國內(nèi)規(guī)章中直接引述附件16，美國和中國也在技術(shù)內(nèi)容上與其保持一致，CAEP環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)得到各國認(rèn)可的主要原因在于其標(biāo)準(zhǔn)制定流程的穩(wěn)健和專業(yè)。

CAEP環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)是：技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、環(huán)保收益，同時要考慮標(biāo)準(zhǔn)間的相關(guān)性。只有在市場上出現(xiàn)成熟的技術(shù)后，才會考慮制定相應(yīng)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，并通過成本效益分析，以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式完成標(biāo)準(zhǔn)的制定，噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定具體流程如圖1所示。

2.1評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)是指能公平評價各類航空器環(huán)境性能的指標(biāo)，且具有一定的準(zhǔn)確度，評價指標(biāo)與參考參數(shù)一起成為完整的評價指標(biāo)體系。

以亞聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)為例，評價指標(biāo)為EPNdB，是一個將航空器噪聲對人類的主觀影響考慮在內(nèi)的數(shù)值評價指標(biāo)，參考參數(shù)為最大起飛重量（MTOW），如圖2所示。為準(zhǔn)確評估飛機(jī)噪聲，需要在三個參考點(diǎn)測量飛機(jī)的噪聲級，分別包括飛越、橫側(cè)和進(jìn)近點(diǎn)的噪聲測量，在麥克風(fēng)的采集、換算，頻譜不規(guī)則性修正和PNL的持續(xù)時間修正的處理后，得到EPNdB。

在亞聲速噪聲評價指標(biāo)體系建立后，隨著降噪技術(shù)的進(jìn)步，噪聲標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格化。例如，1977年的附件16卷I的第3章噪聲標(biāo)準(zhǔn)比第2章更加嚴(yán)格，降噪技術(shù)出現(xiàn)后，噪聲標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格到第4章中的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，第14章的嚴(yán)格程度相對于目前第4章嚴(yán)格7個EPNdB（累積）水平。

2.2測試程序

規(guī)范測試程序的目的是為了確保符合性試驗(yàn)的一致性，并使不同型號的飛機(jī)在不同地理位置進(jìn)行的試驗(yàn)具有可比性。在亞聲速噪聲測試時的要求有以下三個方面。

2.2.1測量系統(tǒng)和設(shè)備的要求

測量系統(tǒng)必須由審定當(dāng)局批準(zhǔn)的并與下列裝置等效的設(shè)備組成：一個防風(fēng)罩、一個傳聲器系統(tǒng)；一個記錄和重放系統(tǒng)，以便儲存所測得的航空器噪聲信號供以后分析；一個1/3倍頻程分析系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)，以確保上述系統(tǒng)聲學(xué)靈敏度在規(guī)定容限范圍內(nèi)；并且測量系統(tǒng)及其組成設(shè)備的校準(zhǔn)與檢查必須以審定當(dāng)局規(guī)定的方法進(jìn)行；測量系統(tǒng)性能符合基準(zhǔn)環(huán)境條件，這樣就可以得出作為時間函數(shù)的1/3倍頻程聲壓級。

2.2.2測試環(huán)境的要求

必須在高出地面10m處進(jìn)行環(huán)境溫度和相對濕度的測量。對于飛機(jī)，還必須在聲傳播路徑上方按照不大于30m的垂直增量來確定環(huán)境溫度和相對濕度；在每次試驗(yàn)運(yùn)行的整個過程中，必須在高出地面10m處進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向的測量；高出地面10m處的氣象條件必須在距離傳聲器位置2000m以內(nèi)測量。

2.2.3測量點(diǎn)和飛行程序的要求

聲學(xué)認(rèn)證涉及三個測量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)位置。橫側(cè)噪聲測量點(diǎn)：起飛時距跑道中心線450m，該點(diǎn)記錄的最高噪聲測量值；飛越噪聲測量點(diǎn)：跑道中心線的延長線上且離滑跑起始點(diǎn)6.5km；進(jìn)近測量點(diǎn)：跑道中心線的延長線上且距跑道入口2000m，在進(jìn)近航跡下方。在航跡測量方面，航空器相對于測量傳聲器的空間位置，必須用經(jīng)過審定的、當(dāng)局批準(zhǔn)的、不依賴于駕駛艙飛行儀表的方法確定，而且航跡切入試驗(yàn)程序已被批準(zhǔn)作為等效程序，該程序?yàn)闇y試場的選擇提供了很大靈活性。

2.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括將被測值轉(zhuǎn)換為評價指標(biāo)和把數(shù)據(jù)修正到基準(zhǔn)工況這兩個部分。

2.3.1將被測值轉(zhuǎn)換為評價指標(biāo)

EPNdB的計(jì)算過程包括：

（1）麥克風(fēng)所采集到的噪聲為1/3倍頻帶聲壓級，用吶（Noy）表把24個1/3倍頻帶聲壓級換算成感覺噪度。將吶值相加，然后換算成瞬時感覺噪聲級PNL（k）。

（2）為了考慮對出現(xiàn)最大純音的反應(yīng)，對每個頻譜要計(jì)算純音修正因子C（k）。

（3）每0.5s時間段上，將純音修正因子和感覺噪聲級相加，得到純音修正感覺噪聲級PNLT（k）。該P(yáng)NLT（k）的瞬時值應(yīng)按時間表注下來，并從中確定其最大值PNLTM，PNLT（k）由式（1）確定：

PNLT（k）=PNL（k）+C（k）（1）

（4）持續(xù)時間修正因子D是根據(jù)PNLT（k）與時間的關(guān)系曲線，通過積分求得的。

（5）有效感覺噪聲級EPNL由最大純音修正感覺噪聲級與持續(xù)時間修正因子的代數(shù)和確定：

EPNL=PNLTM+D（2）

2.3.2把數(shù)據(jù)修正到基準(zhǔn)工況

測試的環(huán)境往往會與基準(zhǔn)工況存在差異，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。以亞聲速噪聲標(biāo)準(zhǔn)為例，需要進(jìn)行的修正包括大氣條件、飛機(jī)構(gòu)型、飛行航跡、發(fā)動機(jī)功率等造成的差異。

噪聲數(shù)據(jù)的修正方法有簡化方法和完整方法。簡化的修正方法是將橫側(cè)、飛越及進(jìn)場噪聲試驗(yàn)PNLTM時刻的EPNL值修正至基準(zhǔn)條件下；完整的修正方法是將每隔0.5s的噪聲頻譜修正至基準(zhǔn)條件下，再進(jìn)行EPNL的計(jì)算。

2.4嚴(yán)格度和成本效益分析

在得出不同機(jī)型的環(huán)境性能后，CAEP往往會依據(jù)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，劃分得出不同的監(jiān)管曲線，也稱為嚴(yán)格度曲線，為支撐最終的決策，CAEP通過成本效益分析評估不同監(jiān)管水平可能帶來的環(huán)境收益和經(jīng)濟(jì)成本，輔助最終的管理決策。

如在亞聲速噪聲第14章標(biāo)準(zhǔn)的制定中比第4章噪聲限制的累積水平減少3EPNdB、5EPNdB、7EPNdB、9EPNdB和11EPNdB，即有5個嚴(yán)格度選項(xiàng)，分別按機(jī)場計(jì)算并按地區(qū)為全球綜合計(jì)算了55dB、60dB和65dB晝夜平均噪聲水平（DNL）等高線之內(nèi)的各個區(qū)域和人口數(shù)量。同時，制定了每種嚴(yán)格度情景的經(jīng)常性和非經(jīng)常性費(fèi)用影響的模型。經(jīng)常性費(fèi)用影響的模型即直接運(yùn)行費(fèi)用，反映了航空器運(yùn)營人所承受的各種費(fèi)用，包括燃料費(fèi)用、其他直接費(fèi)用（包括機(jī)組、維修、航路、起降費(fèi)），以及資本費(fèi)用（包括航空器融資和折舊費(fèi)用）的變化。非經(jīng)常性費(fèi)用包括制造商、航空器所有人和航空器運(yùn)營人因噪聲嚴(yán)格度的情景可能承受的額外經(jīng)濟(jì)影響。經(jīng)常性費(fèi)用和非經(jīng)常性費(fèi)用以及噪聲結(jié)果被合并為一種成本效益措施的形式。

CAEP對5個嚴(yán)格選項(xiàng)的綜合成本和收益分析，評估環(huán)境和經(jīng)濟(jì)部分，以及美國準(zhǔn)備的相同5個選項(xiàng)的平行分析。經(jīng)過長時間的討論，CAEP/9同意相對于第4章的級別將嚴(yán)格性提高7EPNdB（累積），第14章的新標(biāo)準(zhǔn)在累積嚴(yán)格性要求之外引入了一個條件，該條件要求在每個認(rèn)證點(diǎn)的第3章限制下有不少于1.0dB的余量。

對未來的噪聲嚴(yán)格性來說，CAEP/9噪聲嚴(yán)格性分析的非經(jīng)常性成本建模方法可能不適用，因?yàn)樾碌脑肼晣?yán)格性可能需要更先進(jìn)的技術(shù)，使用CAEP/9模型可能會低估這些技術(shù)的成本，爭取在下一個CAEP周期開始更新潛在可用的成本模型。

3超聲速飛機(jī)起降噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定中的關(guān)鍵要素分析

在現(xiàn)有附件16卷I中，并沒有明確的超聲速飛機(jī)起飛著陸（LTO）噪聲審定標(biāo)準(zhǔn)，僅提出可以參考亞聲速飛機(jī)的噪聲審定。目前，因?yàn)長TO階段不包含聲爆噪聲問題，所以正在制定中的超聲速飛機(jī)LTO噪聲標(biāo)準(zhǔn)參考了亞聲速飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)期將于2025年的CAEP/13會議上通過。

3.1指標(biāo)體系分析

超聲速飛機(jī)起降噪聲標(biāo)準(zhǔn)擬采用與亞聲速飛機(jī)起降標(biāo)準(zhǔn)相同的EPNdB評價指標(biāo)，即將噪聲限制設(shè)置為最大起飛重量（MTOW）的直接函數(shù)。

3.2測試程序和數(shù)據(jù)處理

目前，CAEP在進(jìn)近方面已經(jīng)確認(rèn)可以采用與亞聲速噪聲審定相同的下滑道、下滑道角度、進(jìn)近速度和進(jìn)近構(gòu)型；同時，建議采用與亞聲速噪聲認(rèn)證相同的空速公差和聲學(xué)調(diào)整方法。但考慮到超聲速飛機(jī)獨(dú)有的特點(diǎn)，在以下幾方面進(jìn)行了特別的規(guī)定：（1）飛機(jī)起飛時，速度必須是申請人所選定的、用于正常運(yùn)行的所有發(fā)動機(jī)都工作時的起飛爬升速度，它必須至少為V2+19km/h，且不超過463km/h。（2）如果飛機(jī)采用程序直減率（PLR）和程序飛機(jī)配置變更，應(yīng)該使其符合ETM第3.7.1節(jié)中可變噪聲降低系統(tǒng)（VNRS）定義[5]。PLR將是一種全自動功能同時并入發(fā)動機(jī)全權(quán)數(shù)字電子控制（FADEC）中，從起飛到PLR的推力轉(zhuǎn)換，將通過FADEC作為推力額定結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行管理，確保了PLR的穩(wěn)定運(yùn)行，并在飛機(jī)日常運(yùn)行中減少了相關(guān)的噪聲影響。程序飛機(jī)配置與PLR的不同之處在于它將被納入飛機(jī)飛行管理系統(tǒng)（FMS）中，通過FMS進(jìn)行管理控制面的自動移動和飛機(jī)配置的變化，確保減少噪聲影響與日常操作始終保持一致。但是PLR和程序飛機(jī)配置更改可能會導(dǎo)致加速，需要解決。

3.3嚴(yán)格度分析所需的數(shù)據(jù)來源

進(jìn)行嚴(yán)格度和成本效益分析前需要有數(shù)據(jù)支持，而以往CAEP制定的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)都是基于制造商產(chǎn)品實(shí)際試飛數(shù)據(jù)而完成的，但超聲速飛機(jī)制造商目前還沒有完成產(chǎn)品研制，所以沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)。為了不耽誤標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)度，CAEP決定可以先采用模型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定的預(yù)先研究，使用美國國家航空航天局（NASA）的數(shù)據(jù)驗(yàn)證相關(guān)的噪聲預(yù)測模型，然后用模型去評估廠家產(chǎn)品的噪聲性能，這樣做的另一個原因是，很多廠家不愿意提供保密數(shù)據(jù)，所以只能用模型進(jìn)行分析，但需要對模型與廠家分析之間的一致性進(jìn)行分析。

3.3.1 NASA55t STCA數(shù)據(jù)驗(yàn)證

NASA改進(jìn)了一種超聲速技術(shù)概念飛機(jī)（STCA），使其成為一架重55t、巡航速度為Ma 1.4、航程為7778.4km的商務(wù)噴氣式飛機(jī)。NASA對其估算了飛行演示程序的認(rèn)證噪聲水平，“Advanced Procedure”利用程序直減率（PLR）在起飛程序完成后自動減小最大可用推力（至10.7m），并將飛機(jī)加速至V2+102km/h的更高速度，由于PLR和高于V2+ 19-37km/h的飛行速度，飛機(jī)在每個點(diǎn)和累積裕度上都符合第4章的要求。

使用了ICAO Doc.9911方法估算噪聲認(rèn)證水平，目前已將ICAO Doc.9911方法實(shí)施到三個CAEP批準(zhǔn)的機(jī)場噪聲建模工具中：EUROCONTROL STAPES/IMPACT、UK CAAANCON、US FAAAEDT，使用這三種不同的模型估計(jì)噪聲認(rèn)證水平，提供了模型噪聲認(rèn)證水平與運(yùn)行噪聲和性能數(shù)據(jù)之間的驗(yàn)證交叉檢查。

結(jié)果見表2，三個模型中有一個無法在噪聲環(huán)境中提供結(jié)果，但提供了SAEAIR-1845平均機(jī)場大氣的結(jié)果。此外，使用較新的SAE ARP-5534將IMPACT提供的結(jié)果調(diào)整到認(rèn)證大氣中，其結(jié)果與SAE ARP-866A的結(jié)果相同。這表明，模型與NASA估計(jì)的認(rèn)證水平之間有很好的一致性，使用CAEP批準(zhǔn)的Doc.9911噪聲計(jì)算方法，NASA認(rèn)證估計(jì)的所有模型都在±1dB。兩者之間的評估認(rèn)證噪聲水平差異見表3。

3.3.2三家原始設(shè)備制造商（OEM）數(shù)據(jù)驗(yàn)證

三家原始設(shè)備制造商（OEM）分別提供了兩架超聲速公務(wù)機(jī)和一架超聲速客機(jī)的環(huán)境性能數(shù)據(jù)。按照與NASA 55t STCA數(shù)據(jù)相同的驗(yàn)證和確認(rèn)過程，列出了噪聲認(rèn)證水平評估的結(jié)果，并顯示了與OEM評估認(rèn)證水平的差異。除一個級別外，所有級別均在OEM認(rèn)證評估值的±1EPNdB之內(nèi)。超過±1EPNdB的一個值，則為0.1EPNdB，噪聲建模者認(rèn)為是可以接受的。

綜上所述，在沒有試飛數(shù)據(jù)的情況下，可以通過模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)制定流程中的關(guān)鍵要素。這樣不僅可以為標(biāo)準(zhǔn)制定提供數(shù)據(jù)參考，還可以減少下一代超聲速飛機(jī)發(fā)展的現(xiàn)有障礙，而且開發(fā)商以合理投資完成飛機(jī)的設(shè)計(jì)，使超聲速飛機(jī)符合噪聲法規(guī)的要求。

4超聲速飛機(jī)航線噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定中的關(guān)鍵因素分析

對于未來的民用超聲速飛機(jī)，克服聲爆的障礙仍然是環(huán)境合規(guī)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。針對超聲速飛機(jī)的噪聲審定，還應(yīng)該在附件16卷I中包含一個新的標(biāo)準(zhǔn)，以處理超聲速飛行產(chǎn)生的航線噪聲。

航線噪聲標(biāo)準(zhǔn)與超聲速飛機(jī)的運(yùn)行程序相關(guān)聯(lián)，目前主要運(yùn)行方案有三種：第一種可以在未受限區(qū)域超聲速運(yùn)行，如大洋飛行；第二種與第一種類似，但在受限區(qū)域（如大陸上方）以馬赫數(shù)截止速度（1.1～1.15）飛行，根據(jù)之前研究，在馬赫數(shù)截止速度下產(chǎn)生的壓縮波通過合理設(shè)計(jì)不會傳遞到地面；第三種是在所有超聲飛行階段都以產(chǎn)生低聲爆的速度飛行。目前的超聲速飛機(jī)設(shè)計(jì)都只能在水上超聲速飛行，以避免對人造成任何不可接受的影響。

但可以為低聲爆制定一個國際標(biāo)準(zhǔn)，這就有可能修改禁止民用超聲速飛機(jī)地面飛行的規(guī)定。而NASA正通過設(shè)計(jì)和應(yīng)用聲爆緩解技術(shù)來實(shí)現(xiàn)低聲爆飛機(jī)這一目標(biāo)?？梢宰C明，在超聲速飛行期間，在地面聽到的噪聲是可以接受的，可以保護(hù)公眾免受噪聲的影響。

4.1評價指標(biāo)體系

正在評估的評價指標(biāo)，即聲爆指標(biāo)一共有6個，包括：Stevens Mark VII感知水平（PL感知水平）、A加權(quán)聲暴露水平（ASEL）、B加權(quán)聲暴露水平（BSEL）、D加權(quán)聲暴露水平（DSEL）、E加權(quán)聲暴露水平（ESEL）、內(nèi)部聲爆煩惱預(yù)測器（ISBAP）[6-9]，詳細(xì)內(nèi)容見表4。

最終的指標(biāo)與人的可接受度相關(guān)，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研究了大氣湍流對聲爆指標(biāo)和煩惱度的影響，6種聲爆指標(biāo)的影響隨湍流強(qiáng)度的增加而減小，同時標(biāo)準(zhǔn)偏差增加；不同指標(biāo)類型的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是不同的，而且湍流對不同指標(biāo)類型的影響是不同的。

4.2測試程序和數(shù)據(jù)處理

以NASA SonicBAT[10]為基礎(chǔ)，為將來的飛行試驗(yàn)計(jì)劃提供參考，測試試驗(yàn)需要一架F-18的精確飛行在已知的地點(diǎn)和時間制造聲爆，目標(biāo)是要獲得三種類型的數(shù)據(jù)：來自地面三個麥克風(fēng)陣列和連接到TG-14機(jī)動滑翔機(jī)的麥克風(fēng)的聲學(xué)數(shù)據(jù)；來自GPSsonde氣球發(fā)射、地面氣象塔和安裝在10m和44m高塔上的兩個超聲波風(fēng)速計(jì)的氣象數(shù)據(jù)；來自F-18和TG-14的飛機(jī)數(shù)據(jù)。

主要聲學(xué)儀器陣列的位置應(yīng)與飛行軌跡一致，這樣做是為了它能接收飛機(jī)下面發(fā)出的聲音，二級和三級麥克風(fēng)陣列的部署是為了測量更多通過大氣層傳播的聲爆。主陣列由16個麥克風(fēng)組成，每個間隔相距30m，再有4個麥克風(fēng)，部署在第7個和第9個之間，二級麥克風(fēng)在主陣列西北約2230m處，8個麥克風(fēng)以十字形排列，十字形的每個臂上有4個麥克風(fēng)，間隔30m，十字架的方向平行于主陣列。三級麥克風(fēng)陣列部署在二級麥克風(fēng)陣列西北約2230m處，其個數(shù)和擺放位置與二級麥克風(fēng)陣列相同。飛機(jī)以馬赫數(shù)Ma 1.4、巡航高度10.4km的速度飛行，穿越各種級別的大氣湍流。

除此之外，NASA的SonicBAT項(xiàng)目還包括對湍流傳播的成形特征影響進(jìn)行3D預(yù)測，該分析可為未來的航路低聲爆噪聲認(rèn)證提供測量程序參考。

但由于多種原因，測量數(shù)據(jù)存在差異：從巡航高度到地面的高空風(fēng)、準(zhǔn)穩(wěn)定飛行條件、通過大氣邊界層（PBL）湍流的大氣傳播、遠(yuǎn)距離傳播（通過動態(tài)變化的大氣條件）等。所以，提出了兩個噪聲認(rèn)證水平的方案評估，一個方案利用試驗(yàn)和參考條件下預(yù)測噪聲的差異，將測量噪聲級調(diào)整到參考條件；另一個方案用于確定基準(zhǔn)日條件下超聲速巡航飛行速度下的絕對認(rèn)證噪聲級。

數(shù)據(jù)處理包括有關(guān)測量和數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)的分析，對測試數(shù)據(jù)先進(jìn)行初始分析，計(jì)算每次超聲速通過的平均噪聲水平，然后再計(jì)算具有置信區(qū)間的總體平均值。CAPE成立了專門技術(shù)小組評估測量和分析超聲速航路噪聲數(shù)據(jù)的各種預(yù)處理和窗口選擇。

5結(jié)束語

民機(jī)超聲速要真正開始商業(yè)運(yùn)行，還要克服原有的噪聲問題，ICAO正在制定的超聲速噪聲審定標(biāo)準(zhǔn)將有助于這一問題的解決，具體包括：

（1）超聲速飛機(jī)的起降階段與亞聲速飛機(jī)的起降階段并無異同，所以在超聲速飛機(jī)起降噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定中可以參考亞聲速飛機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，采用相同的指標(biāo)體系。但在測試程序、數(shù)據(jù)處理和嚴(yán)格度分析方面，還需要考慮超聲速飛機(jī)獨(dú)有的特點(diǎn)。

（2）航線噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定正處于起步階段，還需結(jié)合超聲速飛機(jī)特點(diǎn)，制定相應(yīng)的聲爆評價指標(biāo)體系、測試程序及數(shù)據(jù)處理方法。預(yù)計(jì)2028年的CAEP/14會議將完成航線噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制定。

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Analysis of Key Elements in the Establishment of Supersonic Aircraft Noise Certification Standards

Yang Xiaojun，Zhou Haomin，Li Guoliang

School of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： This paper analyzes the key elements in the standard formulation process of Committee on Aviation Environmental Protection （CAEP） in detail， and takes the formulation of supersonic noise certification standard as an example. Starting from the key elements of measurement system， test procedure， data processing， strictness and cost-benefit analysis， it also introduces the current situation of each key element， which provides a reference for the development of supersonic noise certification standards.

Key Words： supersonic speed； noise； measurement system； certification