跑道附近反向推力装置的噪声预测

             宾夕法尼亚州立大学  美国交通运输部   联邦航空管理局 环境和能源办公室

摘要：由飞机的反向推理装置所产生的噪声增加了飞机跑道附近的声压级水平，尤其是对常常被用于飞机降落的短跑道来说。联邦航空管理局（FAA）的整体噪声模拟（INM）第七版采用一种新的简单的声环境评价方案来评价反向推力装置工作时所产生的噪声。本次的研究采用INM7对标准降落过程中由反向推力装置产生的噪声对跑道周围产生噪声影响的最大值预测与2004年10在华盛顿杜勒斯国际机场对单一机型的中型窄体喷气式客机的噪声实测数据进行比较。在噪声测量的同时，对飞机降落过程采用录像机记录飞机沿跑道的位置和速度数据。对测量的速度和位置与INM7计算用的速度和位置进行比较，可以用于进一步的观察预测噪声和实测噪声之间不同。本文也阐述了对于改进INM7的反向推力装置噪声预测模型算法的建议。

     1．绪论

     本文列举了跑道附近反向推力噪声的研究实例。这些研究可以用于改进机场附近噪声预测模型算法。研究的目的是提高联邦航空管理局（FAA）对于飞机降落的噪声预测，为新一代航空运输系统(NextGen)提供支持。在飞机降落过程中反向推力装置设备是降落过程的主要噪声源。它对于机场周围总的噪声的贡献量是举足轻重的，尤其是对于经常被用做飞机降落的短跑道来说。但是，以前关于反向推力装置噪声观察预测噪声和实测噪声数值比较的研究相对比较少。

      实际上每次降落事件中反向推力装置的工作状态受到很多因素影响，包括飞机的型号、机场的位置和规模、操作的细节、滑行道的选择和天气等。体型较长的大型运输机在较长的跑到上降落过程中具有较长的滑行时间，可以不用反向推力装置或者不会全负荷使用。相对来说，体型较短的小型运输机滑行时间较短，因此更多的依靠反向推力装置用于飞机制动。因此本项研究的结果与那些使用反向推力装置比一般水平更高的机场相关度更高。

      这里使用的方法是比较在跑道附近对处于工作状态的反向推力装置的噪声水平的实际测量值和采用INM第七版（即联邦航空管理局标准的对机场附近的航空噪声进行评估的工具）所得到的整体估计噪声值。我们比较跑道附近的这两个噪声值以测定INM是否掌握了足够的噪声源信息。而且比较跑道附近的数值可以排除那些让声场传播模式变得更加复杂的因素，例如风和温度梯度，不同的地面阻力和地形变化，这些因素在跑道附近测量中很大程度上可以被忽略。本次测试数据于2004年10月在华盛顿杜勒斯国际机场（IAD）获得，本次测试也是作为美国国家航空航天局(NASA)，美国交通部John A.Volpe国家运输系统中心，和美国联邦航空管理局资助和协调的研究工作中的一部分。

      2．INM建立的反向推力装置噪声的模型

      INM反向推力装置噪声模型已经开展了多年的研究，尽管INM模型是一种建立在经验基础上的噪声模型，它依靠特定的飞机型号和特定的操作模式所产生的基础噪声数据。这些数据目前不能涵盖所有的反向推力装置的噪声数据。因此在INM中反向推力装置噪声数据是作为调节数据，代表飞机降落过程中反向推力装置产生的噪声参与计算的。

      在INM以往的版本中，反向推力采用标准分布，对于喷气式飞机是最大推力的60%，对于螺旋桨飞机是40%，使用反向推力滑行的距离为飞机落地后滑行距离的90%。这些反向推力装置的噪声水平预测是源自以往经验，特定的飞机型号距离噪声源的距离(NPD)数据。以下所述方式与“标准”余留的操作方式不同，参考相应的噪声源的距离（NPD）代替原有数据。这些不切实际的推力水平，参考一些偏离噪声源距离的数据在飞机降落时使用，代替靠近噪声源距离的数据以保证测量值和INM预测值之间的一致性。可是这样并没有考虑反向推力装置工作过程中实际的推力水平。

      因为在FAA的新一代环境模型中的航空环境设计工具（AEDT）需要利用实际燃料消耗计算噪声和喷射模型，同时燃料的实际消耗量需要基于反向推力的实际工作状态，在INM7.0中关于反向推力的假设也更新到7.0版本。在INM7.0中对反向推力假设噪声的更新能够更好的再现典型飞机操作中反向推力的工作情况。同时争取保持在飞机降落过程中实测值和模拟值的一致性。INM7.0中在反向推力装置的噪声模型是基于ECAC Doc29，同时趋向于与补充的实际中关于多种飞机反向推力的实测数据经验联合分析。

      反向推力装置的工作时间见下表1，在图表中，飞机从左边进入跑道。INM假设飞机的着陆临界点位于距离着陆开始处300m处，减速并且速度达到15m/s，距离停止还需要很长的距离。飞机滑行停止的距离数据由飞机制造商提供。从着陆点开始，在模型中冲力随之增加，如图表中调节反向推力TRadj增加所示。调节反向推力最大值在跑道300m+0.1（Sstop）处，然后匀速的从距离跑道着陆开始点300m+Sstop处减小至0dB。

                     图表 1：INM7中建立反向推力噪声模型用到的反向推力工作表

      下图2给出了INM7预测的中型窄体喷气式飞机在IAD降落时单一事件中A计权的最大声压级（LAmax）的等声压级曲线图。中间的实线突出在等声压级线下方代表跑道的长度。在图2中，飞机从图片上方进入。在最外侧的边缘部分是55dB。等声压级线的间隔是5dB，最内侧的等声压级线显示的是85dB。在从上到下的中间部位反向推力装置的噪声有明显的增加。在最宽的部位，55dB的等声压级线每侧向外延伸范围距离每侧的跑道边缘大约为1.7km。不断增加的等声压级线表明反向推力装置噪声对跑道附近的影响在飞机降落过程中占有主导地位。

      在跑道左侧竖向标注的标记是测试中使用的麦克风位置，在下一章节中会谈到。上面的六个麦克风的位置在85dB等声压级区域内。第七个麦克风位于70~75dB的等声压级区域内。右边的表格列出了在七个麦克风位置的最大声压级（LAmax）。麦克风1#最接近跑道的尽端，在图2中标记的最上面一个。前面的五个麦克风中LAmax值的变化量为1dB。在麦克风6#时下降量为3dB，而且下降量在麦克风7#时变得更为明显。这种陡然的下降是由INM对反向推力装置的工作状态的假设所造成的，同时代表了飞机降落滑行过程的结束。

    图表2：INM7预测的中型窄体喷气式飞机在IAD降落时单一事件中A计权的最大声压级（LAmax）的等声压级曲线图。表格列出了在七个麦克风位置的最大声压级（LAmax）

      3. 跑道测试计划大纲

      跑道测试仪器的布置在前面已经描述过。各测点相对的几何位置在图表3中进行了说明。七个麦克风（传声器型号G.R.A.S ½” 40AE，前置放大器型号G.R.A.S. 26CA）采用较大的空间排布方式被安置在平行于IAD的19R跑道的一侧，距离跑道中心线61m的位置。麦克风安置在三脚架上，距离地面1.2m。第一个麦克风位于距离跑道尽端609m处，其余的麦克风一次排开，间距152m。视频照相机被安放在距离跑道中心线117m，距离跑道尽端1048m的地方。视频照相机有三个目的：1）记录飞机在跑道上相对于时间的位置，2）记录飞机降落过程中的声音和视频证明反向推力装置的工作状态，3）记录飞机的运行轨迹用于证明测试的目的。

      跑道灯没有在图表3中标明，跑道灯的位置沿跑道方向，间距为61m。这些已知的跑道灯位置相对来说能够为视频照相机提供一种确定飞机沿跑道方向上的位置作为随时间的运动轨迹。所有这些记录的位置数据在图表4中标明。在图4a中圆圈代表的是飞机经过跑道灯时的位置和相应的时间，实曲线是拟合的四次多项式方程曲线。两条竖向实线是18s和34s标明反向推力装置工作的时间段。当录像数据显示反向推力装置展开，同时录音数据显示接收到推力噪声的增加时可以判断反向推力装置开始工作。确定反向推力装置开始工作的方法比较守旧，可能存在延时。推力转换装置的脱离非常难以确定。

      在已有多项式的系数和飞机位置相对于时间的数据时，可以很直接得到飞机的速度相对于时间的函数。将飞机的速度绘制成相对于飞机位置的函数图表4b。这个结果可以用于与INM预测所使用的飞机的速度曲线进行比较。

      4. 分析与讨论

      表1中列出了在七个麦克风位置上记录的与INM7预测相同型号的飞机四次降落事件过程中的（平均0.5秒）用dB表示的最大声压级（LAmax）。在任一给定的麦克风位置，实际测试值中间有很大的差异，同时与预测的数值吻合性很差。表面上来说，有人可能会得出INM在预测跑道附近噪声水平的工作中表现很差的结论。但是进一步的研究展示了这种结果中差异大的原因。

      图5给出了INM对飞机高度、速度和单引擎飞机推力的预测和实际观察的飞机速度和反向推力装置与距飞机跑道尽端的距离之间的函数关系。INM的预测结果通过实线连接符号的形式进行表现。在图表中飞机的运动轨迹是从左到右。飞机的高度采用(♦)表示，飞机落地（即与跑道接触，高度为零）点在距离跑道尽端300m的地方。（INM的标记习惯认为在降落之前的距离是距离的正值，滞后的距离是负值。）单引擎飞机的推力(▲)在着陆开始，反向推力装置开始工作时开始增加，增加至最大值，然后随着飞机滑行而降低，和图2所示。飞机的滑行速度(■)曲线在飞机落地后平稳的下降直至达到15m/s，此时INM就会停止计算。在图表的底部的一列符号(+)标明了麦克风相对于跑道端头的位置。在这个例子中可以看出，INM假设飞机达到麦克风6的位置以后飞机的噪声不会对等声压级曲线产生进一步的作用。这个现象说明了图2中麦克风6和麦克风7之间噪声水平迅速下降的原因。

     表格1：对4次同类型飞机在七个麦克风位置上的实际测量值和INM预测值的LAmax（采样率为0.5秒）。预测值与图表2相同。

                     图5：对飞机的速度曲线和反向推力曲线预测和实际观察的比较

                   图6：相对于麦克风位置的LAmax值及不同飞行事件中的最大值

      通过对飞机滑行录像分析确定的飞机速度观察资料，在图5中也给出了四次飞行事件的速度。细线给出了飞机沿跑道方向相应距离的滑行速度。四次飞行事件在飞机落地的过程中观察速度是一致的。在每一次事件中，观察的飞机速度均超过了预测的速度值。在飞机速度曲线上的粗线标出了沿跑道方向我们判断的反向推力装置的工作区间。在图中可以得出两点：第一，四次飞行事件中反向推力装置的工作区间不同；第二，反向推力装置工作区间大约超出INM假设的区间0.8km。由此可以推测反向推力装置工作状态和INM假设之间偏差导致相应的等声压级预测曲线偏移。

      为了强调噪声水平沿跑道距离的变化情况，而不是单个事件之间的差异，对表格1中数据进行归一化到所选取事件取噪声水平的最大值，并且根据相应的麦克风位置绘制在图6中。这四次事件分为两类。第一种类型的特点是在事件的开始阶段噪声水平较低，在中间阶段噪声水平迅速增加，在事件最后阶段噪声水平迅速降低。该类型的两次飞行事件可以通过图5中提供的数据曲线解释。在事件开始阶段的低噪声水平与通过观察判断的反向推力装置在麦克风5位置前没有运行一致。在事件结束阶段噪声水平的迅速降低与飞机到达关键点时反向推力装置停止运行有关。在表格1中可以发现此类的两次飞行事件是四次事件中噪声水平最高的。这个结果可以通过观察的现象解释。这两次事件减速过程最短，采用了较大的反向推力。

      在图6中的第二种类型的特点是在降落过程中噪声变化不大。在图5中的数据说明虽然观察到的反向推力装置已经使用，但是飞机减速过程较其余的两次事件偏长（减速力度较小），说明反向推力装置作用力较小。这个假设与表1中提供的噪声水平数据一致。一般来说这些数据表明类型二的两次飞行事件比类型一的两次事件噪声较低。

      6.结论

      本文展示了一个案例研究，研究了同种机型同一年同一月造同一个机场同一个跑道的四次飞机降落事件。在选定的一年中的选定的一个月中在同一条跑道上的四次事件。虽然在此只列举了同机型的四次降落事件，但是对于其余机型进行的已经进行相似研究发现了类似的结果。还需要进一步完善的研究以获得最终结论。本次研究的结果说明，排除整体噪声水平上单个事件之间的差异后，实际观察得到的结果和预测的噪声水平之间一致性的提高可以通过更深入的匹配和对比实际观察到的和模型预测的飞机速度数据和反向推力装置数据得到。

      致谢

      本研究由美国联邦航空管理局，环境和能源办公室依据FAA 07-C-NE-PSU提供资金支持。宾夕法尼亚的作者们在此郑重感谢联邦航空管理局，美国国家航空航天局和加拿大交通部航空运输减噪和减排合作(PARTNER)中心(www.partner.aero),以及其咨询委员会成员的许多优秀的建议。本文中所述的观点，发现，结论或建议为作者所述，不一定代表联邦航空管理局，美国航空总署，和交通部-加拿大航空运输减噪和减排合作中心的观点。

     REFERENCES

     参考文献

1、Joint Planning and Development Office, Next Generation Air Transportation System—Integrated Plan. 2004. <www.jpdo.gov/library/NGATS_v1_1204r.pdf>.

2、E. Boeker, et al., “Integrated Noise Model (INM) Version 7.0 Technical Manual”, Report No. FAA-AEE-08-01, Washington, D.C.:  Federal Aviation Administration, January 2008. 3 European Civil Aviation Conference (ECAC) Report on Standard Method of Computing Noise Contours around Civil Airports, Doc 29 (3rd Edition), July 2005. 4 3、B. L. Dunkin, A. A. Atchley and K. K. Hodgdon, “Low-frequency source characterization of aircraft noise during landing operations,” Proceedings of NOISE-CON 2007, Reno, NV, October 2007, Paper Number nc07_214 (2007).

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