大型客机驾驶舱/客舱振动舒适性评估

李凯翔，代承霖，张飞，白春玉，牟让科

1. 中国飞机强度研究所，西安 710065 2. 航空声学与振动航空科技重点实验室，西安 710065

安全性、经济性、环保性和舒适性是评价民用飞机的重要指标。随着民用飞机技术的飞速发展，当今客机的设计重点已从最初的飞机结构安全性设计逐步向经济性、环保性和舒适性设计过渡。为了提高市场竞争力，民机设计厂商对舱室舒适性的重视程度日益增加。影响民用飞机舱室舒适性的因素主要有：振动、噪声、气压与气压脉动、温湿度、空气品质、活动空间、座椅舒适度、照明、色彩等。

国内对飞机舱室内热舒适性的研究较多。刘毓迪等利用计算流体力学研究不同个人通风送风温度下飞机舱室内温度场和流场分布，并结合人体平均皮肤温度的评价方法对乘客热舒适性进行研究。孙智等修正了飞机舱室内热舒适性预测平均评价指标中的辐射换热项，提出了适用于评价飞机驾驶舱内部热舒适性评价指标。

对于舱室振动，目前CCAR25部中仅规定“舱内设备的振动和噪声特性不得影响飞机的安全运行”，却并未规定振动的具体物理特性及其对应的舒适度等级。GJB67.8A中给出了人机工效和舒适性评估标准，而且给出了振动暴露时间对舒适性造成的影响。

对于通用载具内部全身振动(WBV)舒适性的测试、评估和评价已较为成熟，并建立了相关标准。Burström等通过试验的方式评估波音737-800型号飞机在着陆过程中，客舱内部关于振动的健康风险。通过测量客机舱室内前排和后排乘务员座椅处的振动加速度得出，在着陆过程中主要振动来自于垂直方向(人体坐标系轴)，并且后排座椅的振动大于前排，以垂直方向为例，后排座椅处的频率计权加速度和振动剂量值(Vibration Dose Value，VDV)比前排高50%以上。结合空乘人员在着陆过程中遭受多次振动冲击的评估结果，飞机前排的空乘人员的健康风险处于“较低”水平，而飞机后排的健康风险增加到“中等”水平。Kåsin等研究了某型直升机上WBV的暴露情况及振动与腰痛的关系。试验共测试6架直升机，在连续飞行中测量计权加速度平均值，并将这些飞行试验分为15个不同的工况进行分析。Kåsin等发现，在8小时工作日内估计得到的平均计权振动值低于欧盟和国际标准的风险准则约束值，尽管振动水平较低，但直升机飞行员腰痛的发生率较高，这可能与直升机飞行员的姿势以及全身振动有关。

程文华和吕继航研究了某背负式单发螺旋桨飞机座舱振动舒适性，通过试飞测试，得出座椅处大幅值、高频率的振动来自于螺旋桨的高速旋转引起的谐振。在此振动水平下，至少满足了飞行员连续飞行4 h的舒适性要求。Ciloglu等在实验室环境下评估了起飞、着陆和湍流中巡航3种飞行状态下的全身振动和动态座椅舒适性。通过振动台回放振动信号，分别测量经济舱座椅和商务舱座椅各位置处的加速度信号，然后分别基于国际标准ISO 2631-1：1997和英国标准BS 6841-1987计算全身振动并对舒适性进行评估。实验得出，着陆时整体动态座椅舒适度最低。根据不舒适度评价表，3种不同的飞行状态下全身振动处于“较不舒适”范围内。商务舱座椅的全身振动暴露等级显著小于经济舱座椅，并且商务舱座椅显著增加了座椅舒适性。张飞等根据飞机实测数据，通过频率裁剪和调整幅值的方式设计主观评价试验需要的振动激励，并完成主观评价实验，得出该型飞行客舱地板200 Hz以下的频率是引起人体不舒适的主要原因。从加速度幅值上看，将实测谱的幅值降低至50%时，才能使大部分人的感觉达到较为舒适的水平。

从上述研究可以看出，目前针对大型客机舱室典型飞行状态下各区域振动对人体影响评价研究较少，且多为振动对健康影响的评估，鲜有针对舒适性的评估。本研究针对某大型客机开展了全飞行剖面的振动环境飞行测试，获取了驾驶舱/客舱多区域多测量点的振动加速度和对应的飞行参数，并依据ISO 2631-1：1997国际标准对不同状态不同区域的振动舒适性进行了评估，为民用客机舱室舒适性设计提供了参考依据。

1 全身振动计算方法

本文主要研究民用客机飞行运营过程中，客舱典型工况下不同区域全身振动的计算以及振动舒适性的评估。典型工况主要包含：滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆滑跑和滑行等7种飞行状态，以及驾驶舱、客舱前排、中排和后排4个区域，并分别采用ISO 2631-1：1997国际标准提供的舒适性频率计权方法对各方向加速度进行叠加，最终得到各工况下的全身振动。

1.1 全身振动的基本评价方法

全身振动是将3个测点位置处(座椅面(坐垫)、座椅靠背和脚部地面)，3个方向(人体坐标轴下的、、轴，如图1所示)计权后的加速度叠加得到的一个物理量。常用的表征振动评估值计权后加速度的均方根值，其表达式为

图1 人体基本中心坐标系(坐姿)Fig.1 Basicentric axes of human body (seated position)

(1)

式中：()为平动或转动在时域的计权加速度；为加速度的测量时间，在本文中为60 s。计权加速度的计算方法为：首先，依据ISO 2631-1：1997标准中给出的1/3倍频程带宽，对加速度信号进行带通滤波，获得各个带宽内的时域信号；然后，参考1.3节中的计权系数，对各信号进行计权；最后，将计权后的时域信号进行求和，从而得到时域的计权加速度。

全身振动是座椅面、座椅靠背和脚部地板3个位置处振动影响下的综合考量，同时每个位置处包含对应、和轴3个方向的振动。全身振动值的计算表达式为

(2)

式中：为全身振动加速度均方根值；r.m.s.为某一方向下的计权后加速度均方根值；为与r.m.s对应的乘数因子(Multiplying factor)，取值如表1所示。

表1 乘数因子Table 1 Multiplying factors

1.2 高波峰因数振动的处理方法

ISO 2631-1：1997中规定了波峰因数(Crest Factors, CF)，其定义为频率计权加速度信号的最大瞬时峰值与其均方根值的比的模。波峰因数可以用来研究基本评价方法是否适用于描述振动对人体影响的严酷程度。对波峰因数≤9的振动，基本方法中的均方根值一般是有效的；当波峰因数>9时，所评价的加速度信号中的冲击较为明显，需要统计最大瞬时振动值(Maximum Transient Vibration Value，MTVV)和振动剂量值(VDV)。

最大瞬时振动值由()时间历程上的最大值给定。()的定义式为

(3)

式中：()为瞬时频率计权加速度；为运行平均积分时间；为时间(积分变量)；为观测时间(瞬时时间)。

最大瞬时振动值定义为

MTVV=max[()]

(4)

也就是在一个测量周期内所读得()的最大值。

与加速度均方根值相比，振动剂量值对峰值更为敏感。四次方振动剂量值的定义式为

(5)

经验表明，当MTVV和VDV超过式(6)和式(7)给出的阈值时，附加评价方法对评判振动对人体影响就变得很重要。

(6)

(7)

1.3 频率计权

频率计权是一个模拟人体对振动现象响应的频率响应函数。由于人对不同频率成分振动的敏感程度是不同的，因此可以通过1/3倍频程下的频率计权方式将原振动加速度信号转化为更能准确表达人体所感受到加速度水平的物理量。

ISO 2631-1：1997中给出的处于坐姿状态下的1/3倍频程频率计权值分别为、和，如图2所示。飞行测试中航向为向，展向为向，垂向为向，与图1所示坐标系一致。那么为坐垫向与地板、、方向的计权值，为坐垫、向和座椅靠背、向计权值，为座椅靠背向计权值。

图2 计权值Fig.2 Weighting factors

可以看出，人体振动舒适性考虑的频率范围为0.1～400 Hz。需要指出的是，标准中虽然指出了对舒适性影响的振动频率为0.5～80 Hz，但给出的频率计权范围为0.1～400 Hz。考虑到近年来的多项研究都表明，80 Hz以上振动依然会显著影响舒适性感受。因此本文采用了中心频率为0.1～400 Hz的振动信号进行了舒适性的评估。

另外，也可以看出，低频振动对舒适性的影响远大于高频振动，如中心频率400 Hz对应的计权系数值为0.001 95，不到中心频率6.3 Hz相应计权系数1.054的1/500。

1.4 人体振动舒适性评价标准

ISO 2631-1:1997标准将计权加速度分为6档，相应给出了从“没有不舒适”到“极不舒适”的6档人体主观感受。表2给出了计权加速度和人体主观感受之间的对应关系。

表2 振动环境下人体舒适性评价指标Table 2 Comfort reactions to vibration environments

2 飞行测试

振动加速度信号采集于某型客机实际飞行过程，采集了飞行全过程的驾驶舱/客舱加速度响应，根据飞行参数，分别截取了滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑行等7个飞行状态下稳定的信号，信号时长60 s。各个飞行状态进行如下定义。

1) 滑跑：起飞前发动机未开加力，飞机在跑道滑行阶段。

2) 起飞：起飞前发动机开加力，飞机加速在跑道滑行阶段。

3) 爬升：起落架入舱后，飞行高度未达到巡航高度阶段。

4) 巡航：飞机进入巡航高度阶段。

5) 下降：飞机接近目的地，离开巡航阶段，降低飞行高度阶段。

6) 着陆：飞机着陆后，发动机打开反推阶段。

7) 滑行：飞机关闭发动机反推，滑行至停机坪阶段。

振动信号的测量位置分别位于驾驶舱、客机舱内前排、中排和后排座椅处(如图3所示)。针对每一座椅位置，分别将对应加速度传感器固定在座椅面、座椅靠背和脚部地面处，并对人体坐标轴下(航向)、(展向)、(垂向)3个方向的加速度进行测量。脚部地面处的三轴加速度传感器型号为PCB 356B18(7#)，通过粘贴的方式固定在乘客脚部停靠的地板上。为准确测量具有柔性表面的座椅面和座椅靠背处的加速度信号，将坐垫传感器(PCB 356B41，4#，5#)固定在一般乘客与座椅接触的位置，并且在座椅上分别放置重75 kG的假人以模拟乘坐状态。测试中同时监测了扶手处的振动信号(PCB 356B18，8#)。振动信号由LMS SCADAS Ⅲ 160通道数采集系统记录，采样频率为5 120 Hz。以中排座椅为例，其靠背，座椅面以及脚部地面和扶手处的加速度传感器安装情况如图4所示。

图3 加速度测点位置示意图Fig.3 Schematic diagram of mounting locations of accelerometers

图4 座椅加速度计布置情况Fig.4 Accelerometers arrangement of cockpit seat

3 舱室振动环境舒适性水平分析

3.1 驾驶舱/客舱振动环境

对典型飞行状态下驾驶舱/客舱的振动环境进行了分析，由于采集的数据包含不同飞行状态、不同区域、不同测点的数据，数据量庞大。限于篇幅，本文仅给出了巡航阶段各典型区域的加速度功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)，如图5所示。

图5 巡航阶段各典型区域的加速度功率谱密度Fig.5 Acceleration PSD of typical regions during cruise phase

3.2 峰值因数

由于波峰因数直接影响舒适性评估基本方法是否适用，因此首先对7个典型飞行状态的波峰因数进行了计算，计算结果如图6所示。

从图6可以看出，7个典型飞行状态的峰值因数全部小于9。因此，采用计权加速度的基本评价方法可以用来评估驾驶舱/客舱振动在各飞行阶段的舒适性。

图6 波峰因子Fig.6 Crest factors

3.3 客舱振动舒适性评价结果

3.3.1 客舱振动计权加速度统计结果

采用式(2)计算得到的全身计权振动加速度均方根值(RMS)如表3所示。将不同飞行阶段各区域的全身计权振动加速度值由大到小进行排序，统计结果如表4所示。可以看出，总体来看，驾驶舱的振动计权值最大，其次为后排区域，前排和中排的振动计权值较小，其中中排区域在绝大多数飞行阶段振动计权都为最小。

表3 全身振动加速度均方根值Table 3 Vibration total value of weighed RMS acceleration m/s2

表4 不同飞行阶段全身振动加速度均方根值排序Table 4 Ranking of WBV acceleration RMS during different flight phases

表5给出了不同区域全状态下的计权加速度均值与中位数。表6给出了不同飞行状态所有区域计权加速度的均值和中位数。将全身计权振动加速度值按照从小到大进行排序，无论统计量为均值或中位数，排序是相同的。从客机不同区域的计权加速度来看，其排序顺序为：中排座椅<前排座椅<后排座椅<驾驶舱，即中排座椅区域计权振动值最小，驾驶舱最大。从不同飞行状态下的统计计权加速度来看，其排序顺序为：巡航<下降<滑行<爬升< 滑跑<起飞<着陆。

表5 不同区域全身振动加速度均方根值的均值和中位数Table 5 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS at different positions m/s2

表6 不同状态全身振动加速度均方根值的均值和中位数Table 6 Mean and median numbers of WBV acceleration RMS in different flight phases m/s2

3.3.2 客舱振动舒适性水平统计结果

按照表2所介绍的振动环境下人体舒适性评价指标，将全舱位不同飞行阶段的振动舒适性进行了评估，并采用色块图的形式对舒适性进行了区分，如图7所示。

图7 不同飞行阶段不同位置的振动舒适性色块图Fig.7 Colormap of vibration comfort level at different positions during different flight phases

根据舒适性色块图，从各飞行阶段角度来看，滑跑、爬升、巡航、下降和滑行阶段的驾驶舱/客舱基本处于“没有不舒适”和“有点不舒适”状态，舱室的舒适性较好，尤其是占据客机大部分飞行阶段的巡航阶段，所有舱位都达到“没有不舒适”的最低等级，但滑跑阶段的驾驶舱振动舒适性较差，达到“非常不舒适”等级；起飞阶段，舱室振动舒适性较差，驾驶舱和客舱后排座椅都达到了“不舒适”等级，前排和中排座椅区域，也达到了“比较不舒适”等级；着陆阶段，舱室舒适性最差，驾驶舱和后排都达到了“非常不舒适”的等级，前排座椅和中排座椅也分别处于“不舒适”和“比较不舒适”状态。

从舱位来看，中排区域的舒适性最佳，在多个飞机阶段皆为“没有不舒适”和“有点不舒适”等级。前排区域舒适性也相对较好，只有在着陆阶段达到了“不舒适”等级；而驾驶舱和后排相对较差，尤其是驾驶舱在滑跑、起飞和着陆阶段都呈现出“不舒适”或“非常不舒适”等级。

4 结 论

通过对某客机驾驶舱/客舱(前、中、后排)区域座椅的加速度飞行实测，对该客机在滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑行等7个典型状态的振动进行了分析，并根据ISO 2631-1：1997的国际标准，计算了各状态各区域的全身振动计权加速度和对应的振动舒适性等级，为开展客机舱室的振动环境设计与评估提供给了依据。