eVTOLs飞行器的噪音分析
英国皇家航空学会《Aerospace》九月刊发表了关于城市空中交通工具未来交通网络噪音污染的影响,以及如何减轻噪音污染以获得公众认可的最新研究。
2021年,欧盟航空安全局(EASA)公布了一项调查结果,该调查评估了公众对欧盟城市交通系统中未来空中交通飞行器(AAM)的可接受程度(https://www.easa.europa.eu/domains/urban-air-mobility-uam)。根据来自六个欧洲城市的3690名公民的答复,该调查将噪音确定为社会接受AAM的主要问题之一。预计垂直起降点基础设施和路线规划以及电动飞机设计的相关立法将受到社会对噪音感知程度的高度影响。
9 月,英国皇家航空学会(RAeS) 主办了欧洲旋翼机论坛在线会议,讨论了直升机设计、技术和操作的各个方面。除了领先的旋翼制造商和运营商的演讲外,为期三天的活动还包括 100 多场技术演讲,其中一些演讲涉及公众对旋翼机噪音的看法。
噪音和建筑物
eVTOL交通系统的出现将增加城市的噪音水平。(Volocopter)
其中包括米兰理工大学航空航天科学与技术系的 G Gilbertini、S Rezzonico、M Rossetti 和 A Zanotti 发表的一篇论文,研究了直升机在城市飞行中的噪音问题。这是一个热门话题,因为未来eVTOL城市交通系统的引入将增加在住宅区上空飞行的旋转翼飞行器的数量。当直升机靠近建筑物飞行时,比如接近屋顶直升机停机坪时,噪音最大。直升机噪音问题虽然不是一个新问题,但还没有得到系统的研究。
意大利旋翼机噪音模拟以米兰的真实建筑为模型。(米兰理工)
意大利研究人员使用一个 15 厘米的双叶片转子进行了实验,该转子在 48 厘米高的模型建筑旁边运行,该模型建筑的比例为 1/100,相当于米兰一座类似形状的 53m 高建筑,该建筑在屋顶上装有直升机停机坪。用于模拟建筑物的模型由德国 DLR 制作,用作 MiTraPor 项目的试验台,该项目研究军用货物空投的空气动力学。
在最近点,靠近建筑物的转子的声音可能会影响大片区域。(米兰理工)
声音测试在一个消声室中进行,并使用地面上的传感器测量转子模型的不同声级,转子模型位于朝向建筑物顶部的直线进近路径上的不同点。毫不奇怪,面对转子的建筑物前部的噪音水平更高,并且随着转子的靠近而增加。当转子非常靠近时,整个建筑物正面的噪音水平同样高。测得的声压谱由来自转子和电机的噪声组合而成。当转子靠近建筑物时,墙壁的反射也放大了噪音。
模型转子和建筑试验台。(米兰理工)
实验的结论是直升机的声级可以根据进场路径以及不同的建筑几何形状而变化。米兰理工学院将在未来的测试中研究这两个因素。
城市上空的 eVTOL 噪音有多烦人?(Uber Elevator)
Arup SoundLab 的主旨演讲中也提到了来自旋翼机的噪音,该演讲着眼于使用声音和可视化来帮助理解颠覆性技术 – 特别是将垂直起降点作为 eVTOL 未来空中交通(AAM) 的一部分引入城市运输系统。Arup 最近为欧盟航空安全局 (EASA) 进行了一项研究,以深入了解人们对 AAM 噪声影响的反应。该研究表明,AAM飞行器的烦恼程度可能高于其他交通方式,这可能会对 AAM 噪音的规划和立法产生影响。
由于AAM飞行器尚未正式投入使用,与之最相似的就是直升机,它们的飞行高度低于固定翼飞机,并且运行距离“噪音敏感受体”较近。从字面意义上来说,与意大利研究的结果相呼应,Arup得出结论,在城市环境中运行的旋翼机发出的声音也会随着建筑物的多次反射而传播,同时也会受到城市小气候复杂性的影响
在过去的十年中,Arup SoundLab 一直在进行它所描述的“为利益相关者和社区参与基础设施计划的听觉化和可视化”。这些活动包括公开演示,在其中人们能够在虚拟现实中体验未来设计项目的声音和景象,然后再实际建造该项目,以消除人们的顾虑,以便他们可以就是否批准该计划做出明智的决定。虚拟现实演示包括对新机场航站楼、高速铁路连接、道路建设以及最近的 AAM 飞行器和垂直起降点的模拟。
通过内部资助的研究,Arup 开发了 AAM 飞行器的通用声学模型。一旦定义了轨迹、爬升率、巡航速度和接收器位置等操作条件,就可以使用 NASA Auralisation Framework (NAF) 软件对声音传播进行建模,并使用 Arup SoundLab 进行可听化。这使收听者可以听到可能尚不存在的飞机的声音,并且可以成为优化飞机噪声特征的有效工具。
2019 年 9 月在范堡罗举行的第一届全球城市航空峰会 (GUAS) 上首次展示了合成电动飞机的声音效果。2020 年,为准备AAM在洛杉矶的运行,以直升机、通用AAM飞行器和使用相同飞行路径的通用无人机的过往声音为特色创建了一系列声音。此外,Arup 使用基于网络的界面,允许用户为不同类型的飞行器绘制不同的飞行路径,并计算每个飞行路径的噪声等值线。
由于AAM飞行器与传统旋翼机的噪音特征不同,为初步了解人们对 AAM 飞行器噪音特征的反应进行了一项试点研究。该研究旨:(1) 调查声音演示是否是一种适当的方式来参与和了解人们对UAM声音的反应;(2) 测试和开发方法,以进行更大规模的研究;(3) 初步了解人们对 UAM 声音的看法。
声音模拟
The m|Lab. (Arup)
由于 新冠病毒-19 大流行期间的旅行限制,该研究是使用安装在 Arup 阿姆斯特丹办公室的可移动设施 (m|Lab) 进行的。m|Lab 使用 3D 双音音效,聚焦在听者的头部高度,通过一系列扬声器在地板、头部高度和头顶以及低音扬声器发射。墙壁采用吸音材料处理。
通过喷气式飞机、直升机、公共汽车、摩托车、大型和小型多翼无人机、录音空中滑行和合成空中滑行,将声音校准至80dBAmax,F级。此外,在两个较低的声级(60和70dBLAmax,F)下再现了空中滑行声音。听众被要求根据“声音会对他们造成的困扰、烦扰或干扰的程度”对每个声音进行排名,评分范围为0(一点也不觉得烦恼)到10(非常令人烦恼)。他们还被要求就声音的哪些方面影响了他们的评级提供评论。共有20名听众参与了试验,Arup指出,这一数据样本太小,无法产生统计上可靠的结果,但为更大规模的调查铺平了道路。
无人机和空中出租车的烦恼程度得分最高。(Arup)
当比较相似级别的声音时,参与者报告说,对于不熟悉的声音,他们的烦恼程度通常更高。当将AAM声音与道路运输声源进行比较时,差异尤其显著。这可能表明,随着市民熟悉AAM飞行器的声音,烦恼程度将降低。
空中出租车和大型无人机的平均烦恼度最高,而合成空中出租车的平均烦恼度为80dBLAmax,F得分仅略低。正如预期的那样,烦恼随着声级的增加而增加。
对于大多数AAM飞行器,通常在3kHz左右有一个清晰的音调分量,对应于人类最敏感的频率。与无人机相比,测试的空中出租车的音调更为明显。
这些研究将有助于缓解未来城市的噪音水平。(Uber Elevate)
与意大利的研究一样,Arup的研究仍处于初始阶段,还可以做更多的工作来开发使用声音的方法,以促进对话和理解环境影响和社会对噪音的反应。可以做更多的工作来模拟更具体的 UAM 设计和城市基础设施,以及进行更大规模的公众调查。研究结果既有利于UAM设计师和运营商降低其飞行器的噪音影响,也有利于城市规划者和立法者,他们正在授权引入城市交通基础设施。
摘自英国皇家航空学会《Aerospace》九月刊
翻译:郑雅静