探討影響直昇機航空噪音量傳遞及衰減之原因

標題：探討影響直昇機航空噪音量傳遞及衰減之原因

一、直昇機音源分析
在目前航空器之中，直昇機屬於較低空飛行之飛行器且其具備滯空能力，故在其飛越地區或起降場旁的居民對直昇機發出的噪音感受強烈。除了由於其發出的噪音值高以外，更由於其旋翼空氣動力致產生變頻的噪音，令人感覺不適。一般而言直昇機的噪音源可分為三大部份：
1.主旋翼之噪音（Main Rotor Noise）
2.引擎及傳動軸之噪音（Transmission Noise）。
3.尾旋翼噪音（Tail Rotor Noise）。
因傳動機構噪音屬較高頻噪音，且所造成噪音不會隨飛行姿態而產生較大改變，故較能被掌控。而主旋翼由於承擔整架直昇機之升力及推力，為飛行器最重要的部份，而且其空氣動力環境較複雜，是直昇機最主要的噪音源。
主旋翼噪音源一般而言可分為下列各項：
（一）旋轉噪音（Rotational Noise）：旋翼葉片旋轉本身激發空氣所造成的噪音，為最低頻的噪音，但一旦旋翼做淺降、急轉彎、高速前進或氣流擾動而導致葉片拍打現象時，往往結合BVI 噪音變成最吵雜且最讓人不適的噪音源，旋轉噪音大概是主旋翼所有噪音源中最易以理論方式預估的部份，由於一個旋翼之葉片數目固定，在一個迴圈之內各葉片所激發（或擾動）周圍大氣所造成的壓力變化可用傅利葉級數（Fourier Series）表示之。
（二）BVI 噪音：葉片和其前置葉片（Previous Blade）所拖曳之渦流（Vortex）所相互影響（Blade-Vortex-Interaction （BVI））所造成的噪音，其噪音頻率次高。導致BVI噪音的原因乃是由於葉片與其前置葉片所拖曳之渦流相互影響所導致的噪音。因此，除了要考慮渦流強度之外，基本上渦流強度本身也是一個振動源，而葉片本身也是一個細長的彈性結構體，因此兩者相互影響之下，常會導致這一個耦合系統之理論模式建立及計算上的困難，由於渦流強度的變動會導致葉片上升力之改變，而葉片本身的變化，也會導致其周圍流場也隨之改變，相對的，又會影響到本身葉片升力之變化。
(三) BWI噪音：葉片與整個旋翼的尾流架構相互影響（Blade-Wake-Interaction（BWI））所造成的噪音，為寬頻噪音（Broad Band Noise），由於其頻率範圍及頻寬極易讓乘客有不適的感覺，愈來愈受研究的重視，一般而言是直昇機葉片受到主旋翼下方之尾流結構（Wake Structure）的空氣動力環境而造成的互動所導致的噪音。BVI及BWI兩種模式常為一般人混淆，BVI的Vortex指的是在旋翼圓盤上的葉片由於轉動而從葉片後緣拖曳出一串氣流。由於葉片的振動，因此事實上此渦流是一個局部的非穩態空氣動力（Unsteady Aerodynamic）環境，就BWI而言，其中的Wake（尾流）就與BVI的Vortex（渦流）不同，若是以大環境來看，整個尾流的架構包含了葉片尖端渦流（Tip Vortex）、渦流片（Vortex Sheet）、邊界渦流（Bound Vortex），甚至葉片根部渦流（Hub Vortex）及其外圍的紊流場。而且這些氣流必須是隨著葉片的繞動而一圈一圈的堆積在旋翼圓盤下方，直到完整的形成一整個尾流結構為止。
（四）紊流噪音：氣流本身的摩擦或是葉片後緣（Trailing Edge）由於氣流之分離（Separation）所造成的紊流（Turbulent Flow）之噪音，為最高頻的噪音。紊流噪音由於其複雜性較前述噪音所考慮的更多，因此目前的研究較為欠缺。除了以上各式噪音之外，直昇機操作時亦會產生較低頻的音波，即Infrasound（次音波），一般人耳所能聽聞之頻率範圍介於20Hz至20KHz之間，而所謂的次音波係指其頻率低於20Hz的音波，直昇機在操作時會產生此類音波，因為此類音波無法被研究人員察覺，而且不易控制，因此在研究上比較困難，由於某些種類的動物對聲音的感受範圍較人類，或者有些動物是利用次音波傳遞訊息（例如大象），故在這方面美國有多位學者曾做過相關研究，對動物而言，直昇機或其它軍事噪音產生的次音波可能會造成某些動物聽覺系統的損害或是干擾了動物彼此之間的訊息傳遞意義（Ronald,1996）。
圖1-1是針對一般直昇機於滯空或空中飛行時，其主旋翼造成之噪音頻率分佈圖。
資料來源：王怡仁，”淺談直昇機噪音的問題”中國航空太空學會會刊,第28卷第1期(1998)
圖1-1　典型旋翼所展現的噪音頻率範圍圖
二、直昇機低頻噪音
平常人耳可聽音之頻率範圍定義為20~20KHz，但要注意，不是到20Hz就完全聽不到，因人有差別，如可以聽到50Hz左右就算不錯，低頻噪音發生源有很多，如表1-1所示，其中直昇機屬於低頻噪音。

表1-1 低頻噪音主要的發生源
工廠設備
壓縮機、送風機、引擎、抽水機、振動篩、輸送帶、鍋爐、空調、冷卻水塔、工廠建築物等之振動。
交通工具
汽車、飛機、船舶、鐵路、高架橋。
其他
爆發、水壩之放流。
自然現象
海浪、地震、打雷、噴火、風、瀑布。
三、噪音在傳播中的傳遞及衰減(Attenuation)之原因
音源發出的噪音在媒介中傳播時，其聲音壓力或聲音強度將隨著傳播距離的增加而逐漸衰減。造成這種衰減的原因有二個：
1.距離衰減。
2.空氣的吸收。
（一）距離衰減
聲波在傳播過程中波降面要擴展，波面面積（S）隨離音源的距離（r）增加而不斷擴大，這樣通過單位面積的能量就相應減小。由於波降面擴展而引起的聲音強度隨距離而減弱的現象稱為距離衰減。
1. 平面波：對於平面波，其聲音強度I=W/S。由於平面波的波面S為常數，所以聲音強度I也是常數，即聲波傳播幾乎無衰減。
2. 球面波：球面波可看作是點音源向四周幅射的聲波，當音源的大小與到接收者的距離r相比小得多時(一般為3~5倍)，可將此音源看做點音源，很多噪音源諸如飛機、單個車輛等都可近似地看做點音源。球面波的波降面面積（S）與離音源的距離平方（ ）成正比，聲音強度與距離平方成反比。如果在距離音源為 處的聲音強度位準(音強級)為 dB，則在距離 處的聲音強度位準就應為：
3. 柱面波：柱面波可以看做是”線音源”向四周幅射的聲波。線音源是由大量分佈在直線上且十分靠近的點音源組成。常見的線音源如工廠中互相靠近的機器、傳送帶、公路上車輛及火車鐵路噪音等。
（二）空氣的吸聲
噪音的聲波在傳播過程中除了距離衰減外，還有因為空氣對聲波能量的吸收而引起的聲音強度的減小，距離愈遠，空氣的聲吸收也愈大。因聲吸收而引起的聲音強度隨距離的指數衰減關係為(以沿x方向的平面波為例)
其中： 為 處的聲音強度。 為空氣的吸聲係數。
吸聲係數 與介質的溫度和濕度有關，還與聲波的頻率有關。一般與頻率的平方成正比。聲波的頻率愈高，空氣的吸收也愈大；頻率愈低，吸收愈小。
由上式可知，高頻聲波比低頻聲波衰減得快，當傳播距離較大時其衰減值是很大的，因此高頻聲波是傳不遠的。
從遠距離傳來的強噪音如直昇機聲、炮聲等都是比較低沈的，這就是在長距離的傳播過程中高頻成份衰減得較快的緣故。