机场单噪声事件评估方法改进研究

李东亚，胡 荣，许跃凤，陈 琳

（南京航空航天大学 民航学院，南京 211106）

机场单噪声事件评估方法改进研究

李东亚，胡 荣，许跃凤，陈 琳

（南京航空航天大学 民航学院，南京 211106）

为了提高机场噪声评估合理性，针对单噪声事件，基于航迹模拟仿真数据，通过实距计算、插值计算和修正计算绘制机场噪声动态等值线图和敏感点噪声变化图。考虑噪声动态变化结果，分析现有静态评估指标Amax不足，采用SEL指标并对噪声敏感点进行噪声补偿处理。最后以广州白云机场GYA方向进场为例，从地面和空间噪声的分布对比分析了现行评估指标和改进评估指标的评估结果。结果表明：现行Amax指标评估忽视了噪声累积，造成噪声结果偏小，改进SEL指标与Amax指标相比较，敏感点噪声值提高超过10 dB；改进SEL指标较Amax指标在各等级噪声所影响面积、体积方面均有所增加。

声学；噪声评估；动态评估；机场噪声；单噪声事件

近年来，航空业迅速发展给人们出行带来极大便利，然而随着航班量的增加，飞机频繁起降，导致机场噪声问题日益突出。于是，飞机发动机减噪[1]、绿色飞行程序[2]、土地规划利用[3]等减噪技术成为机场降噪这一课题的研究重点，而客观合理的机场噪声评估方法是验证上述技术减噪效果的基础。

目前机场噪声评估的形式主要有两种：

（1）机场噪声静态评估是现今较为常见的评估形式。一方面可以通过现有软件INM、Noise Map[4]等直接输出静态噪声等值线图，另一方面可通过Surf、Matlab[5]等软件编程绘制。然而，静态等值线图针对单噪声事件多是采用Amax（最大A声级）作为评估指标，未考虑噪声覆盖时间以及对不同区域影响的差异性，导致结果过于片面而不切实际，在使用过程中往往失去意义。

（2）机场噪声动态评估利用噪声历史监测数据聚类或拟合发现噪声分布模式并构造网格以快速生成等值线[6]，这是目前研究噪声动态分布的有效方法，但该方法计算较为复杂，且要以历史数据为基础，对新建机场的噪声分布预测应用性较差。

文中以广州白云机场GYA方向进场（夜间，下同）为例，针对单噪声事件，基于航迹模拟仿真数据，使用Matlab软件编程，通过实距计算、插值计算和修正计算绘制机场噪声动态等值线图和敏感点噪声变化图。考虑噪声动态变化结果，深入分析现有静态评估指标，指出其不足，采用SEL（声暴露级）指标，对噪声敏感点进行噪声补偿处理，最后从地面和空间噪声分布对比分析现行Amax评估指标和改进SEL评估指标评估结果。

1 机场噪声动态评估

近几年随着我国机场噪声监测工作的开展，机场噪声评估已形成了较为规范的系统体系，目前的成果多以噪声数据和噪声日平均噪声静态等值线为主，对机场噪声的时空演化及可视化等方面的研究还不够深入。与此同时，由于影响机场噪声分布的因素较多，部署噪声监测设备成本较高，机场噪声的动态可视化实现较为困难。

选用B767-300机型以广州白云机场GYA方向进场为例进行噪声评估，基于BADA（Base of Aircraft Data）模型、离散动态模型构建航迹预测模型[7]，使用VC++编程，生成IAP（Instrument Arrival Procedure）程序航迹。其中IAP程序中重要航路点信息如表1所示。

表1 IAP程序中航路点信息

采用Matlab编程，导入航迹数据（包括距离、推力、高度、速度、经纬度等）以及B767-300的NPD（Noise Power Distance）数据，并进行单位换算，根据经纬度数据计算实际距离，进行推力和斜距插值，得到经纬度和各航迹点影响下的标准状态噪声数据，对标准状态噪声数据进行速度、侧向衰减等修正得到修正噪声，设置刷新频率得到进场飞机按照时间变化的噪声动态图。

1.1 实距计算

根据航迹经纬度数据，可由式（1）计算实际距离

式中DIS是两点间的实际距离，R=6 371.01 km；PI=π。

式中distance是Matlab中计算距离的函数；A(1)是A点经度；A(2)是A点纬度；B(1)是B点的经度；B(2)是B点纬度。

1.2 插值计算

插值计算包括推力插值和斜距插值[8]，推力插值的基本原理是将航迹推力插值计算得到基本NPD数据的扩展数据，从GYA到AGVOS包括n个重要航迹点，经过推力插值可得到m（m为对应机型NPD数据表格行数）行n列的数据表格。斜距插值是在确定推力的前提下，计算网格各点距航迹点斜距，通过斜距插值得到网格各点噪声值，其中斜距可通过式（3）计算

式中l是网格点距地面航迹点距离，可根据式（1）计算，h是航迹点飞行高度。

1.3 修正计算

单架飞机的A声级噪声计算公式如下[8]

1.4 动态绘图

经过上述计算，可得到各网格点（a）受各航迹点（n）影响的噪声数据共a×n个数据，使用meshgrid将经纬度坐标网格化，使用griddata函数将噪声数据网格化，使用contourf函数绘图，并使用drawnow函数刷新可得到n帧的动态图，每帧图代表飞机处于不同飞行位置的噪声影响等值线图，图1、图2为B767-300飞机执行IAP程序起、终点噪声影响等值线图。

通过上述步骤在得到噪声动态图的同时，也能得到敏感点的噪声变化数据，IAP程序中GYA方向进场从起点GYA至终点AGVOS共有四处噪声敏感区域，如图3所示。

敏感点噪声变化如图4至图7所示。

随着高度下降和推力增加，峰值噪声不断增加，对如下4点区域的噪声评估需考虑其较低的噪声承受能力。

图1 IAP程序中GYA方向进场起始点噪声等值线图

图2 IAP程序中GYA方向进场终止点噪声等值线图

图3 GYA至AGVOS间噪声敏感点

图4 肇庆市第三人民医院噪声变化

图5 白坭华立医院噪声变化

图6 金沙中学噪声变化

图7 罗村中心小学噪声变化

2 机场噪声静态评估

机场噪声静态评估表示一个时间段（一天、一周等）的噪声分布情况，包含平均的思想，是将每个点的噪声变化用一个噪声值表示的过程。

2.1 现行评估方法

根据《机场周围航空器噪声测量方法》（GB9661-1988）和《机场周围航空器噪声环境标准》（GB9660-1988）规定，多事件累积噪声评价量采用计权等效连续感觉噪声级WECPNL，而作为单事件的噪声评价量EPNL因为计算复杂且不能直接测量，故多采用最大A声级（Amax）作为单噪声事件评价量。Amax表示噪声持续时间内达到的最大噪声水平，即在该时间段内噪声监测设备读出的最大值。

从实际应用效果来看，使用Amax指标计算并不理想，主要体现在两方面：

（1）Amax只考虑了最大噪声级造成的影响而不考虑覆盖时间，忽视了最大噪声级发生前后的噪声累积效果，从噪度的角度来看，这不能够真实反映该点的噪声情况，往往会导致噪声值偏小。

（2）Amax未考虑机场噪声对不同区域（噪声敏感区、非敏感区）的差异，导致结果过于片面而不切实际，在应用过程中往往失去意义。

2.2 改进评估方法

声暴露级（SEL）考虑单噪声事件持续时间段内的所有噪声级，而不只是其间的最大噪声级，SEL综合了噪声时间段内噪声监测设备的所有读数，并给出一个总噪声水平的估算结果，SEL度量了一个噪声事件对噪声受众的全部噪声影响，故采用SEL作为噪声评价量更接近实际，SEL计算如式（5）所示。同时考虑进场路径经过的噪声敏感区域，对噪声敏感区域采用噪声补偿的方法以表示其较低的噪声承受能力。

其中log是以10为底的对数，在实际应用中，一般采用NΔt个时刻Δt，2Δt，3Δt，…，NΔt的离散值Li来代替连续函数L(t)。Li表示在iΔt时刻读数，故SEL可近似表示为

在计算过程中，只需考虑与Amax相近的噪声值即可，因为在对数函数中比Amax低10 dB以上的读数值对SEL计算结果的影响很小，故比Amax低10 dB的噪声数据暂不考虑[9]。

对于非噪声敏感区，其计算如式（6）所示，对于噪声敏感区，在式（6）的计算基础上加上5 dB的噪声补偿[2，10]，如式（7）所示

噪声敏感区以噪声敏感点方圆500 m为界（可覆盖周围绝大部分噪声敏感同类区域）。

采用此算法可得到1-4敏感点静态噪声值分别为59 dB、64 dB、68 dB、68 dB，而采用Amax指标1-4敏感点静态噪声值分别为48 dB、53 dB、56 dB、57 dB，明显，通过噪声累积计算的噪声值更大，这更符合实际情况。

3 静态评估结果分析

选用B767-300机型，以广州白云机场GYA进场点为例，基于航迹模拟仿真数据，通过Matlab编程得到平面噪声等值线图和三维噪声等值面图，分别采用Amax指标与改进SEL指标从地面和空间两个维度分析IAP程序噪声影响结果，两种评估方法的地面噪声影响等值线如图8和图9所示。

图8 GYA方向进场Amax指标静态等值线

图9 GYA方向进场改进SEL指标静态等值线

噪声限值以《社会生活环境噪声排放标准》（GB22337-2008）规定的1类区域（居民住宅、医疗卫生、文化教育等）夜间限值45 dB（A声级）为准。

通过进一步计算可得Amax指标与改进SEL指标在45 dB以上噪声影响面积、面积差及增加倍数，如表2所示。

表2 GYA方向进场Amax评估与改进SEL评估结果对比

为进一步了解两种指标评估的影响范围，特别是高度的增加对三维空间的影响，引入高度变量，量化计算噪声在空间范围内的影响，如图10-图11所示。

因为广州超过400 m的高层建筑只有3座，这里将最大高度设置为400 m（1 312.34英尺）可覆盖绝大部分高层。计算可得Amax指标与改进SEL指标在45 dB以上噪声影响体积、体积差及增加倍数，如表3所示。

通过Amax指标与改进SEL指标对GYA方向进场噪声评估数据进行分析，可得出如下结论：

（1）Amax指标评估忽视了噪声累积，造成噪声结果偏小，改进SEL指标与Amax指标相比较，噪声敏感点1-4噪声值分别提高11 dB、11 dB、12 dB、11 dB。

（2）改进SEL指标较Amax指标在各等级噪声影响面积、体积均有所提高；

（3）在机场噪声污染日益加剧的背景下，机场噪声影响亟需客观合理的评估。

图10 GYA方向进场Amax指标静态等值面

图11 GYA方向进场改进SEL指标静态等值面

表3 GYA方向进场Amax评估与改进SEL评估结果对比

4 结语

基于航迹模拟仿真数据，使用Matlab软件编程，通过实距计算、插值计算和修正计算绘制机场噪声动态等值线图和敏感点噪声变化图。考虑噪声动态变化结果，深入分析现有Amax评估指标不足，采用SEL指标并对噪声敏感点给予噪声补偿处理，最后从地面和空间噪声分布对比分析现行评估指标和改进评估指标的影响结果。

以广州白云机场GYA方向进场为例对噪声现行评估指标与改进评估指标进行对比分析，结果表明：

（1）现行Amax指标评估忽视了噪声累积，造成噪声结果偏小，改进SEL指标与Amax指标相比，噪声敏感点1-4噪声值分别提高11 dB、11 dB、12 dB、11 dB；

（2）改进SEL指标较现行Amax指标在各等级噪声影响面积、体积均有所提高；

（3）在机场噪声污染日益加剧的背景下，机场噪声影响亟需客观合理的评估。

当然，无论哪种评估指标，其评估结果不同的原因只是评价标准不同，噪声实际影响并未发生变化。

[1]邱昇.基于伴随方法的涡扇发动机涵道的气动噪声优化设计研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[2]武喜萍.飞行程序噪声评价及减噪措施研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[3]尹建坤，赵仁兴，田瑞丽，等.国外控制机场飞机噪声影响的措施[J].噪声与振动控制，2015，35(2)：126-130.

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[6]徐涛，崔昭宇，吕宗磊.基于路径栅格的机场噪声动态等值线绘制并行算法[J].计算机与数字工程，2015，43(8)：1369-1374.

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[9]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础(第3版)[M].南京：南京大学出版社，2012：25-58.

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Research on Improvement of the Methods of Single Noise Incident Evaluation

LI Dong-ya,HU Rong,XU Yue-feng,CHEN Lin
（College of CivilAviation,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics, Nanjing 211106,China）

The methods to improve the rationality of airport noise evaluation of single noise incident are studied.Based on the data of flight path simulation,the dynamic noise contour map and the sensitive-point noise change diagram are plotted in virtue of the calculation of the actual distance,the interpolation calculation and the correction calculation. Considering the dynamic changes of the noise,the shortage of the current static evaluation indexAmaxis analyzed.TheSELindex is used for noise compensation at the noise sensitive points.Finally,with the Guangzhou Baiyun Airport GYA entrance as an example,the results of the existing evaluation index and the improved evaluation index according to the ground distribution and spatial distribution of the noise are analyzed and compared.The results show that the existing evaluation index ignores the noise accumulation,resulting in an underestimation of the noise.In comparison with the existing evaluation index,the noise value increase of the sensitive points can exceed 10 dB by using the improved evaluation indexAmax,and the influencing area and volume also increase for the same noise level.

acoustics;noise evaluation;dynamic evaluation;airport noise;single noise incident

V19；TP301.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.022

1006-1355(2016)06-0111-05

2016-06-28

国家自然科学基金资助项目（71401072，71201082）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（NR2014007，NS2015068）；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金资助项目（kfjj20150705，kfjj20160702）

李东亚（1991-），男，江苏省徐州市人，硕士生，研究方向为交通运输规划与管理。

胡荣，男，硕士生导师，江苏省扬州市人，副教授。E-mail:hoorong@nuaa.edu.cn