超声速飞机噪声合格审定标准制定中的关键要素分析

杨晓军 周昊旻 李国良

摘要：本文对航空环境保护委员会（CAEP）标准制定流程中出现的关键要素进行了详细分析，以超声速噪声合格审定标准制定为例，从度量体系、测试程序、数据处理、严格度和成本效益分析这些关键要素着手，介绍了各个关键要素的现状，得出了超声速飞机在起降阶段的噪声标准制定中可以参考亚声速飞机噪声标准，而航线噪声标准制定正处于起步阶段，需要结合超声速飞机特点，制定相应的声爆评价指标体系、测试程序及数据处理方法，为以后超声速噪声合格审定标准制定提供参考。

关键词：超声速；噪声；度量体系；合格审定

中图分类号：V271文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.004

近年来，随着噪声合格审定标准越来越严格，飞机降噪技术不断进步，亚声速飞机噪声水平不断降低。在现有规章体系中，对没有特殊类别的超声速飞机，但任何新飞机都要符合亚声速噪声审定标准[1]。关于新一代绿色超声速民机的研究[2]，美国、欧洲、俄罗斯等纷纷提出各自的概念方案，在强调传统民机安全性、舒适性、经济性等特点的同时，均把绿色环保放在至关重要的位置。我国在超声速民机领域也开展了相应的研究工作，取得一定的进展，但实现经济可承受的绿色超声速飞行仍存在极大挑战。现在的超声速飞机的噪声合格审定需要更新，以供未来有合适的噪声裕度。

本文从噪声审定合格标准制定着手，着重对标准制定中的度量体系、测试程序、数据处理、严格度和成本效益等关键要素进行分析。

1超声速飞机背景

20世纪60—70年代，英法开始生产“协和”飞机并投入市场使用，当时虽然凭借超快速度和高安全性吸引了大众的目光，但是由于飞行噪声大、燃油成本高、产生的声爆限制了可行的航线数量等原因结束了“协和”号飞机的寿命。随着科技的不断发展，人们开始追求快速的交通工具来满足自己的出行需求，所以，超声速飞机再次进入制造商的视野，而这次所面临的挑战就是开发满足环境要求的超声速飞机。

超声速飞机的主要环保难点在于噪声和燃油经济性方面，随着超声速新技术的发展，如等离子激发射流、高纵横比喷嘴（HARN）、可变循环发动机（VCE）等[3]，未来会对超声速飞机提出更严格的要求，以此来减少对环境和气候的影响。许多研发机构和制造商[4]（包括那些对超声速飞机感兴趣的制造商）正在采取积极措施来应对环境问题。Gulfstream、Boom、Aerion等许多公司開展了超声速飞机项目，见表1。

虽然有很多超声速飞机项目都在进行中，但关于超声速飞机的噪声合格审定目前没有明确的标准，在国际民航组织（ICAO）发布的附件16卷I《航空器噪声》中，规定可以参考亚声速喷气式飞机的噪声合格审定作为指导原则，但是对可以接受的声爆级尚未确定，且不能认为与亚声速噪声标准相符就可以进行超声速飞行。因此，需要制定适合的超声速噪声标准，为超声速飞机项目的研制提供确定的监管架构，负责标准制定的是ICAO的航空环境保护委员会（CAEP）。

2 CAEP环保标准的制定流程

CAEP制定的环保标准主要是附件16，目前已经成为各国国内规章的重要依据，欧盟、加拿大、巴西等制造商国家甚至在国内规章中直接引述附件16，美国和中国也在技术内容上与其保持一致，CAEP环保标准得到各国认可的主要原因在于其标准制定流程的稳健和专业。

CAEP环保标准制定的依据是：技术可行、经济合理、环保收益，同时要考虑标准间的相关性。只有在市场上出现成熟的技术后，才会考虑制定相应的环保标准，并通过成本效益分析，以数据驱动的方式完成标准的制定，噪声标准制定具体流程如图1所示。

2.1评价指标体系

评价指标是指能公平评价各类航空器环境性能的指标，且具有一定的准确度，评价指标与参考参数一起成为完整的评价指标体系。

以亚声速噪声标准为例，评价指标为EPNdB，是一个将航空器噪声对人类的主观影响考虑在内的数值评价指标，参考参数为最大起飞重量（MTOW），如图2所示。为准确评估飞机噪声，需要在三个参考点测量飞机的噪声级，分别包括飞越、横侧和进近点的噪声测量，在麦克风的采集、换算，频谱不规则性修正和PNL的持续时间修正的处理后，得到EPNdB。

在亚声速噪声评价指标体系建立后，随着降噪技术的进步，噪声标准逐渐严格化。例如，1977年的附件16卷I的第3章噪声标准比第2章更加严格，降噪技术出现后，噪声标准严格到第4章中的噪声标准，第14章的严格程度相对于目前第4章严格7个EPNdB（累积）水平。

2.2测试程序

规范测试程序的目的是为了确保符合性试验的一致性，并使不同型号的飞机在不同地理位置进行的试验具有可比性。在亚声速噪声测试时的要求有以下三个方面。

2.2.1测量系统和设备的要求

测量系统必须由审定当局批准的并与下列装置等效的设备组成：一个防风罩、一个传声器系统；一个记录和重放系统，以便储存所测得的航空器噪声信号供以后分析；一个1/3倍频程分析系统、校准系统，以确保上述系统声学灵敏度在规定容限范围内；并且测量系统及其组成设备的校准与检查必须以审定当局规定的方法进行；测量系统性能符合基准环境条件，这样就可以得出作为时间函数的1/3倍频程声压级。

2.2.2测试环境的要求

必须在高出地面10m处进行环境温度和相对湿度的测量。对于飞机，还必须在声传播路径上方按照不大于30m的垂直增量来确定环境温度和相对湿度；在每次试验运行的整个过程中，必须在高出地面10m处进行风速和风向的测量；高出地面10m处的气象条件必须在距离传声器位置2000m以内测量。

2.2.3测量点和飞行程序的要求

声学认证涉及三个测量点的标准位置。横侧噪声测量点：起飞时距跑道中心线450m，该点记录的最高噪声测量值；飞越噪声测量点：跑道中心线的延长线上且离滑跑起始点6.5km；进近测量点：跑道中心线的延长线上且距跑道入口2000m，在进近航迹下方。在航迹测量方面，航空器相对于测量传声器的空间位置，必须用经过审定的、当局批准的、不依赖于驾驶舱飞行仪表的方法确定，而且航迹切入试验程序已被批准作为等效程序，该程序为测试场的选择提供了很大灵活性。

2.3数据处理

数据处理包括将被测值转换为评价指标和把数据修正到基准工况这两个部分。

2.3.1将被测值转换为评价指标

EPNdB的计算过程包括：

（1）麦克风所采集到的噪声为1/3倍频带声压级，用呐（Noy）表把24个1/3倍频带声压级换算成感觉噪度。将呐值相加，然后换算成瞬时感觉噪声级PNL（k）。

（2）为了考虑对出现最大纯音的反应，对每个频谱要计算纯音修正因子C（k）。

（3）每0.5s时间段上，将纯音修正因子和感觉噪声级相加，得到纯音修正感觉噪声级PNLT（k）。该PNLT（k）的瞬时值应按时间表注下来，并从中确定其最大值PNLTM，PNLT（k）由式（1）确定：

PNLT（k）=PNL（k）+C（k）（1）

（4）持续时间修正因子D是根据PNLT（k）与时间的关系曲线，通过积分求得的。

（5）有效感觉噪声级EPNL由最大纯音修正感觉噪声级与持续时间修正因子的代数和确定：

EPNL=PNLTM+D（2）

2.3.2把数据修正到基准工况

测试的环境往往会与基准工况存在差异，因此需要对数据进行修正。以亚声速噪声标准为例，需要进行的修正包括大气条件、飞机构型、飞行航迹、发动机功率等造成的差异。

噪声数据的修正方法有简化方法和完整方法。简化的修正方法是将横侧、飞越及进场噪声试验PNLTM时刻的EPNL值修正至基准条件下；完整的修正方法是将每隔0.5s的噪声频谱修正至基准条件下，再进行EPNL的计算。

2.4严格度和成本效益分析

在得出不同機型的环境性能后，CAEP往往会依据数据分布特点，划分得出不同的监管曲线，也称为严格度曲线，为支撑最终的决策，CAEP通过成本效益分析评估不同监管水平可能带来的环境收益和经济成本，辅助最终的管理决策。

如在亚声速噪声第14章标准的制定中比第4章噪声限制的累积水平减少3EPNdB、5EPNdB、7EPNdB、9EPNdB和11EPNdB，即有5个严格度选项，分别按机场计算并按地区为全球综合计算了55dB、60dB和65dB昼夜平均噪声水平（DNL）等高线之内的各个区域和人口数量。同时，制定了每种严格度情景的经常性和非经常性费用影响的模型。经常性费用影响的模型即直接运行费用，反映了航空器运营人所承受的各种费用，包括燃料费用、其他直接费用（包括机组、维修、航路、起降费），以及资本费用（包括航空器融资和折旧费用）的变化。非经常性费用包括制造商、航空器所有人和航空器运营人因噪声严格度的情景可能承受的额外经济影响。经常性费用和非经常性费用以及噪声结果被合并为一种成本效益措施的形式。

CAEP对5个严格选项的综合成本和收益分析，评估环境和经济部分，以及美国准备的相同5个选项的平行分析。经过长时间的讨论，CAEP/9同意相对于第4章的级别将严格性提高7EPNdB（累积），第14章的新标准在累积严格性要求之外引入了一个条件，该条件要求在每个认证点的第3章限制下有不少于1.0dB的余量。

对未来的噪声严格性来说，CAEP/9噪声严格性分析的非经常性成本建模方法可能不适用，因为新的噪声严格性可能需要更先进的技术，使用CAEP/9模型可能会低估这些技术的成本，争取在下一个CAEP周期开始更新潜在可用的成本模型。

3超声速飞机起降噪声标准制定中的关键要素分析

在现有附件16卷I中，并没有明确的超声速飞机起飞着陆（LTO）噪声审定标准，仅提出可以参考亚声速飞机的噪声审定。目前，因为LTO阶段不包含声爆噪声问题，所以正在制定中的超声速飞机LTO噪声标准参考了亚声速飞机噪声标准，预期将于2025年的CAEP/13会议上通过。

3.1指标体系分析

超声速飞机起降噪声标准拟采用与亚声速飞机起降标准相同的EPNdB评价指标，即将噪声限制设置为最大起飞重量（MTOW）的直接函数。

3.2测试程序和数据处理

目前，CAEP在进近方面已经确认可以采用与亚声速噪声审定相同的下滑道、下滑道角度、进近速度和进近构型；同时，建议采用与亚声速噪声认证相同的空速公差和声学调整方法。但考虑到超声速飞机独有的特点，在以下几方面进行了特别的规定：（1）飞机起飞时，速度必须是申请人所选定的、用于正常运行的所有发动机都工作时的起飞爬升速度，它必须至少为V2+19km/h，且不超过463km/h。（2）如果飞机采用程序直减率（PLR）和程序飞机配置变更，应该使其符合ETM第3.7.1节中可变噪声降低系统（VNRS）定义[5]。PLR将是一种全自动功能同时并入发动机全权数字电子控制（FADEC）中，从起飞到PLR的推力转换，将通过FADEC作为推力额定结构的一部分进行管理，确保了PLR的稳定运行，并在飞机日常运行中减少了相关的噪声影响。程序飞机配置与PLR的不同之处在于它将被纳入飞机飞行管理系统（FMS）中，通过FMS进行管理控制面的自动移动和飞机配置的变化，确保减少噪声影响与日常操作始终保持一致。但是PLR和程序飞机配置更改可能会导致加速，需要解决。

3.3严格度分析所需的数据来源

进行严格度和成本效益分析前需要有数据支持，而以往CAEP制定的环保标准都是基于制造商产品实际试飞数据而完成的，但超声速飞机制造商目前还没有完成产品研制，所以没有实际的数据。为了不耽误标准的制定进度，CAEP决定可以先采用模型数据进行标准制定的预先研究，使用美国国家航空航天局（NASA）的数据验证相关的噪声预测模型，然后用模型去评估厂家产品的噪声性能，这样做的另一个原因是，很多厂家不愿意提供保密数据，所以只能用模型进行分析，但需要对模型与厂家分析之间的一致性进行分析。

3.3.1 NASA55t STCA数据验证

NASA改进了一种超声速技术概念飞机（STCA），使其成为一架重55t、巡航速度为Ma 1.4、航程为7778.4km的商务喷气式飞机。NASA对其估算了飞行演示程序的认证噪声水平，“Advanced Procedure”利用程序直减率（PLR）在起飞程序完成后自动减小最大可用推力（至10.7m），并将飞机加速至V2+102km/h的更高速度，由于PLR和高于V2+ 19-37km/h的飞行速度，飞机在每个点和累积裕度上都符合第4章的要求。

使用了ICAO Doc.9911方法估算噪声认证水平，目前已将ICAO Doc.9911方法实施到三个CAEP批准的机场噪声建模工具中：EUROCONTROL STAPES/IMPACT、UK CAAANCON、US FAAAEDT，使用这三种不同的模型估计噪声认证水平，提供了模型噪声认证水平与运行噪声和性能数据之间的验证交叉检查。

结果见表2，三个模型中有一个无法在噪声环境中提供结果，但提供了SAEAIR-1845平均机场大气的结果。此外，使用较新的SAE ARP-5534将IMPACT提供的结果调整到认证大气中，其结果与SAE ARP-866A的结果相同。这表明，模型与NASA估计的认证水平之间有很好的一致性，使用CAEP批准的Doc.9911噪声计算方法，NASA认证估计的所有模型都在±1dB。两者之间的评估认证噪声水平差异见表3。

3.3.2三家原始设备制造商（OEM）数据验证

三家原始设备制造商（OEM）分别提供了两架超声速公务机和一架超声速客机的环境性能数据。按照与NASA 55t STCA数据相同的验证和确认过程，列出了噪声认证水平评估的结果，并显示了与OEM评估认证水平的差异。除一个级别外，所有级别均在OEM认证评估值的±1EPNdB之内。超过±1EPNdB的一个值，则为0.1EPNdB，噪声建模者认为是可以接受的。

综上所述，在没有试飞数据的情况下，可以通过模型数据验证标准制定流程中的关键要素。这样不仅可以为标准制定提供数据参考，还可以减少下一代超声速飞机发展的现有障碍，而且开发商以合理投资完成飞机的设计，使超声速飞机符合噪声法规的要求。

4超声速飞机航线噪声标准制定中的关键因素分析

对于未来的民用超声速飞机，克服声爆的障碍仍然是环境合规的主要技术挑战之一。针对超声速飞机的噪声审定，还应该在附件16卷I中包含一个新的标准，以处理超声速飞行产生的航线噪声。

航线噪声标准与超声速飞机的运行程序相关联，目前主要运行方案有三种：第一种可以在未受限区域超声速运行，如大洋飞行；第二种与第一种类似，但在受限区域（如大陆上方）以马赫数截止速度（1.1～1.15）飞行，根据之前研究，在马赫数截止速度下产生的压缩波通过合理设计不会传递到地面；第三种是在所有超声飞行阶段都以产生低声爆的速度飞行。目前的超声速飞机设计都只能在水上超声速飞行，以避免对人造成任何不可接受的影响。

但可以为低声爆制定一个国际标准，这就有可能修改禁止民用超声速飞机地面飞行的规定。而NASA正通过设计和应用声爆缓解技术来实现低声爆飞机这一目标。可以证明，在超声速飞行期间，在地面听到的噪声是可以接受的，可以保护公众免受噪声的影响。

4.1评价指标体系

正在评估的评价指标，即声爆指标一共有6个，包括：Stevens Mark VII感知水平（PL感知水平）、A加权声暴露水平（ASEL）、B加权声暴露水平（BSEL）、D加权声暴露水平（DSEL）、E加权声暴露水平（ESEL）、内部声爆烦恼预测器（ISBAP）[6-9]，详细内容见表4。

最终的指标與人的可接受度相关，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研究了大气湍流对声爆指标和烦恼度的影响，6种声爆指标的影响随湍流强度的增加而减小，同时标准偏差增加；不同指标类型的均值和标准差是不同的，而且湍流对不同指标类型的影响是不同的。

4.2测试程序和数据处理

以NASA SonicBAT[10]为基础，为将来的飞行试验计划提供参考，测试试验需要一架F-18的精确飞行在已知的地点和时间制造声爆，目标是要获得三种类型的数据：来自地面三个麦克风阵列和连接到TG-14机动滑翔机的麦克风的声学数据；来自GPSsonde气球发射、地面气象塔和安装在10m和44m高塔上的两个超声波风速计的气象数据；来自F-18和TG-14的飞机数据。

主要声学仪器阵列的位置应与飞行轨迹一致，这样做是为了它能接收飞机下面发出的声音，二级和三级麦克风阵列的部署是为了测量更多通过大气层传播的声爆。主阵列由16个麦克风组成，每个间隔相距30m，再有4个麦克风，部署在第7个和第9个之间，二级麦克风在主阵列西北约2230m处，8个麦克风以十字形排列，十字形的每个臂上有4个麦克风，间隔30m，十字架的方向平行于主阵列。三级麦克风阵列部署在二级麦克风阵列西北约2230m处，其个数和摆放位置与二级麦克风阵列相同。飞机以马赫数Ma 1.4、巡航高度10.4km的速度飞行，穿越各种级别的大气湍流。

除此之外，NASA的SonicBAT项目还包括对湍流传播的成形特征影响进行3D预测，该分析可为未来的航路低声爆噪声认证提供测量程序参考。

但由于多种原因，测量数据存在差异：从巡航高度到地面的高空风、准稳定飞行条件、通过大气边界层（PBL）湍流的大气传播、远距离传播（通过动态变化的大气条件）等。所以，提出了两个噪声认证水平的方案评估，一个方案利用试验和参考条件下预测噪声的差异，将测量噪声级调整到参考条件；另一个方案用于确定基准日条件下超声速巡航飞行速度下的绝对认证噪声级。

数据处理包括有关测量和数据经验的分析，对测试数据先进行初始分析，计算每次超声速通过的平均噪声水平，然后再计算具有置信区间的总体平均值。CAPE成立了专门技术小组评估测量和分析超声速航路噪声数据的各种预处理和窗口选择。

5结束语

民機超声速要真正开始商业运行，还要克服原有的噪声问题，ICAO正在制定的超声速噪声审定标准将有助于这一问题的解决，具体包括：

（1）超声速飞机的起降阶段与亚声速飞机的起降阶段并无异同，所以在超声速飞机起降噪声标准制定中可以参考亚声速飞机噪声标准，采用相同的指标体系。但在测试程序、数据处理和严格度分析方面，还需要考虑超声速飞机独有的特点。

（2）航线噪声标准制定正处于起步阶段，还需结合超声速飞机特点，制定相应的声爆评价指标体系、测试程序及数据处理方法。预计2028年的CAEP/14会议将完成航线噪声标准的制定。

参考文献

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[10]Bradley K，Hobbs C，Wilmer C，et al. The Influence of turbulence on shaped sonic booms[R]. NASA，2018.

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