航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

| 蒿奕颖

编辑 | 贰沐 子鱼

2018年,世界卫生组织(WHO)发布了针对欧洲地区新的环境噪声指南,其中明确指出环境噪声严重威胁着人类的健康,是首要的公共健康问题之一。

随着经济发展和人们对交通便利的需求日益增长,机场的建设呈现出雨后春笋的势头。在欧洲,机场选址和机场扩建距离居民区越来越近。城市机场和直升机停机坪因为其功能要求,更是嵌入式得出现在城市空间里。随之而来的航空噪声同经济发展和人们生活健康的矛盾日益加剧。

环境噪声指南强烈建议把全天航空噪声值控制在45 dB(A) Lden以下,夜间控制在40 dB(A) Lnight以下。对其要求的噪声值低于我们常见的汽车交通噪声,也低于铁路噪声。那么航空噪声有什么特点,为何有如此严格的噪声值要求?它对人类的健康又有何威胁?具体用什么来评估航空噪声的影响呢?我们下面展开聊一下。

航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

航空噪声的特点

 

a.航空噪声的音量高。飞机发动机作为主要的噪声源,在飞机起飞时,可能超过140分贝。140分贝有多吵?120分贝就可以让人耳感到疼痛。平时在忙碌的马路边听到的交通噪声多为70分贝左右,120分贝是70分贝的32倍的音量。而140分贝是可以造成永久性听力损伤。

更多关于分贝的科普见之前的一篇文章:分贝(dB)是什么海鲜,以及1+1≠2

因为航空噪声多为宽频声,声音在传递过程中音量的衰减比较慢,生活在机场周围的居民每天要忍受间隙性或持续性的较大航空噪声干扰。以英国中型大小的两跑道的曼彻斯特机场为例,根据2016年的数据,有接近50个家庭每天要忍受75分贝以上的航空噪声,而经受70分贝以上航空噪声的家庭多达150个。更有多于四万六千多家庭每天被55分贝以上的航空噪声干扰。受航空噪声影响的面积达到64平方公里。

航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

图为:澳洲航空的一架波音747-400飞机靠近英格兰伦敦希思罗机场边界的房屋。(来源:维基百科)

b.航空噪声的声源组成复杂

航空噪声的声源有三个来源:

1)机械噪音-发动机零件的旋转,当风扇叶片达到超音速时最为明显。

2)空气动力学噪声—来自飞机表面周围的气流,尤其是在高速低空飞行时。

3)飞机系统(驾驶舱和机舱增压与调节系统以及辅助动力装置)产生的噪声。

机械噪音是航空噪声的主要来源,而不同动力类型的飞机噪声产生的原因又各不相同。例如:螺旋桨飞机中的大部分噪声均来自螺旋桨和空气动力学;直升机噪声是来自主旋翼和尾旋翼的空气动力学噪声,以及来自主变速箱和各种传动链的机械噪声;喷气式飞机的发动机是飞机起飞和爬升过程中大部分噪声产生的原因,例如当风扇叶片的尖端达到超音速时产生的蜂鸣声。

航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

喷气式飞机在不同频率上的声源定位(www.aero.jaxa.jp)

除了不同的飞机类型外,同样机型的飞机在不同的运行过程中产生的声音大小和特性也有所不同。飞行中的飞机噪声可被视为线声源,需要按照飞机的运行阶段区别对待,例如,飞机起飞前的滑行阶段产生的地面噪声,爬升高度时的推力噪声,以及平稳飞行时产生的噪声。而在飞机滑行阶段的地面噪声也要细化到飞机在等待点时的噪声和滑行时的噪声,而且要根据每个机场跑道不同的情况模拟声源地理信息。另外,因为航空噪声在各个方向的音量大小不一样,在建模中需要考虑到声源的指向性,而不同类型的飞机又会呈现出不同的指向性。

c.航空噪声降噪困难

正如前面所提到的,航空噪声的声源音量大,多为宽频声,声源位置高,在大气中传播可控性低,都无疑为降噪带来重重困难。现有的降噪手段,除了飞机建造技术的推进、提高飞机运行高度、缩短爬升和降落阶段外,还有一系列机场运行的管控手段及机场设计、周边规划、房屋隔声等措施,会在此系列的后续文章中详细解析。

飞机起飞可听化模拟(www.akustik.rwth-aachen.de/

声学发展史之——建筑声学 (Architectural Acoustics)

航空噪声的危害

a.引起烦躁

飞机噪声最直接的危害就是引起居民的烦躁。大量的研究表明了飞机噪声的音量和烦躁度的关系。下图为WHO在环境噪声指南里给出的表示飞机噪声值和烦躁度的关系图。可以看出当噪声值达到45分贝时,就有10%的居民表示会非常烦躁,这也是为什么环境噪声指南强烈建议把全天航空噪声值控制在45 dB(A) Lden以下。

航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

欧洲环境噪声指南

b.干扰睡眠

研究表明,有11%参与调查的居民表示40分贝的航空噪声会严重影响睡眠。虽然这个比例已经超过了基准线(3%),但是因为没有更低的声学数据支持,环境指南工作小组决定不再压低夜间航空噪声的分贝值。

c.除了这些直接的干扰和危害外,长期暴露在航空噪声中的居民健康也会受到不同程度的影响。例如:航空噪声会增加心血管疾病(高血压和中风)的风险,导致认知障碍和听力损伤。

然而,在新冠元年2020,有些欧美的朋友们,甚至开始思念飞行的日子,虽然思念的并不是飞机上的高分贝-_-

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计算机模拟的航空噪声参数

a.噪声信封(noise envelope)

英国交通部2011年针对航空噪声评估提出了一个“噪声信封”的概念,原因是大型机场的扩张产生了越来越大的噪声影响,目的是用此概念征求各方面对航空噪声评估的意见和建议。到2013年,英国民航局发布的《噪声信封CAP1129》中“噪声信封”的概念成形,评估的原则也首次确定。三个可能构成“噪声信封”的方法包括:限定飞行次数和旅客吞吐量;限定噪声暴露,包括噪声配额(飞机型号)、噪声轮廓面积、噪声轮廓形状、及噪声值限定;限定噪声影响,包括暴露在噪声中的人口和家庭、白天因航空噪声引起烦躁的人口数量、夜晚因航空噪声被干扰睡眠的人口数量。

b.计算机模拟的航空噪声参数

英国民航局2017年颁布了新一版的空域变化设计导则 CAP1520。导则中明确得列举了一系列航空噪声评估的参数。白天的飞机航线需要模拟出51 dB(A) Leq 16 hour轮廓线及轮廓线内的人口数量、N65(大于65分贝值的飞行次数)轮廓线、以及航空噪声对烦躁度和健康产生的经济影响运算WebTAG;夜间的飞机航线需要模拟出45 dB(A) Lnight轮廓线及轮廓线内的人口数量、N60(大于60分贝值的飞行次数)轮廓线、以及航空噪声生对睡眠干扰和健康产生的经济影响运算WebTAG;在附加的模拟参数中,可以考虑Lmax 的噪声值和噪声轮廓前后变化等。

这些参数的模拟需要输入机场地理信息、航班信息、飞机型号、飞行轨迹、地里和人口信息等一些系列详尽的信息。在后面的系列文章中,笔者将会进一步解释如何控制这些噪声评估参数值及如何有效的降低噪声影响。

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航空噪声危害怎么破系列之(一):从航空噪声特点及其计算机模拟评估参数说起

作者:蒿奕颖,谢菲尔德大学建筑学博士、博士后。现为必维国际检验-曼彻斯特,高级工程师,主要研究方向为大型基建声环境评估、大规模噪声图模拟及声景设计与评估。曾主持或主要参与多个国际机场(例如希斯罗机场、曼彻斯特机场、都柏林机场和曼斯顿机场等)的航空噪声评估、政策修订和声景设计的研究和实施项目。

封面来源:pinterest.ca

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