淺談直升機噪音預測模式－Helicopter Noise Modeling

淺談直升機噪音預測模式－Helicopter Noise Modeling（HNM）


本文為想要建立直升機噪音預測模式的使用者提供兩個基本選項的相關資訊：
(1)利用整合性噪音模式(INM)輸入資料，模擬直升機噪音及飛行輪廓；
(2)將根據直升機噪音模式計算得出之噪音輸出與INM輸出相加，以產生聯合等噪音線。
本文之說明原意是在INM 6.0c版中做為直升機預測模式之補充指導原則，同時適用於INM6.0c、6.1和6.2等版本之直升機噪音預測模式。此外，本文也為INM6.2版提供新的特定版本準則，針對隨INM 6.2 發行之HeloExample研究中幾個非標準NPD曲線集，提供執行指導原則。

1. 近似直升機
INM在設計上是一種固定翼機模式，因此，用以計算迴旋翼機噪音時，所得出的將是真直升機噪音模式之近似值。美國聯邦航空總署(FAA)和美國交通部/國家運輸系統中心(DOT/VOLPE)已發佈HNM NPD曲線，以協助使用者模擬直升機操作。INM 4.11試驗案例中包含一個利用早期“類HNM”版資料之S-76實例。
一套前後一貫的NPD曲線(以INM 6.0c版為首)已經發展完成，並陸續發佈，以幫助此一過程。INM6.0c被做了若干修改，以利直升機資料輸入。本文另建立一個INM研究範例，以示範如何建立直升機預測模式。下文第一部分介紹該INM研究範例中的元素，第二部分描述如何運用該研究範例，發展一套兼含固翼機和迴旋翼機之真的INM研究。
1.1. 直升機研究範例
Helo子目錄中的HeloExample研究具有兩個目的：(1) 做為從FAA HNM 2.2版所取得直升機噪音資料之貯藏庫，並將這些資料轉換為INM格式；(2) 提供一個簡單的直升機飛行路徑預測模式範例。
HeloExample研究中的aircraft.dbf、nois_grp.dbf、和npd_curv.dbf等資料檔中包含HNM中16種直升機的資料。這些資料檔可被複製或併入其他研究(詳見下文)。HeloExample研究中的原始檔案必須保留。
1.1.1噪音識別碼
各種直升機都有一個相關聯的噪音群識別碼。噪音群識別碼與直升機編號相同(譬如B206L直升機的噪音識別碼也是B206L)。推力設定類型為“其他”，模式類型為“INM”。模式類型會影響橫向衰減及曝露/最大音量方程的形式。
各種直升機的噪音群都有三個相關聯的聲譜類別：進場、離場和飛越。飛越聲譜類別顯示於下拉式對話框中(前稱為“Afterburner”)。INM 6.0c經修改後，其對話框中可容納7種直升機飛越聲譜類別。
1.1.2直升機NPD曲線
1.1.2.1標準式直升機NPD曲線
INM中有16種標準型直升機。各種直升機至少含有5條噪音功率距離(NPD)曲線：2條為進場曲線，2條為離場曲線，另1條為飛越曲線。此外，INM 6.2中有2種直升機(EC130和R22)具有擴大式NPD曲線，另有一種直升機(MD600)只具有水平飛越NPD曲線。這些非標準式直升機NPD資料集之運用，詳見第1.1.2.2節。全部19種直升機詳列於表1-1。

表1-1 – INM 直升機
在直升機輸入方面，只有一條曲線(推力設定1)被用於定點輪廓(fixed-point profiles)，做為進場、離場或飛越狀況的預測模式。進場和離場則需要兩條曲線，因為推力設定是個連續參數，而INM預期將插補於(interpolate)各NPD曲線。這兩條曲線(推力設定1和2)完全相同。
飛越NPD曲線只有一條，因為該曲線是以離散操作噪音模式輸入。INM離散模式過去被稱為“後燃器”(Afterburner)模式，曾被用於一些軍用機。INM 6.0c使得直升機飛越噪音可透過這種操作模式輸入。曲線只有一條的原因為，INM只接受離散推力設定值，且不會插補於飛越/後燃器曲線。
HeloExample研究只含有進場、離場和飛越的噪音曝露量(SEL)資料，這點與HNM一樣。INM透過前文所提及的曝露/最大音量方程計算出直升機的最大噪音量(LAMAX)資料。暫時只有A-加權噪音度量標準可被用於INM，因為目前只有SEL資料。感知音調修正度量標準(如EPNL等)目前還無法用於INM。
隨INM 6.0c發佈之直升機噪音資料係利用以下方式從FAA HNM模式直接轉換而來：
● HNM含有三條根據操作模式之SEL曲線，顯示飛行航跡左、中和右之噪音曝露。由於INM只能模擬與飛行航跡有關之對稱噪音，因此這三條HNM曲線經能量均化(energy-averaged)，形成一條根據操作模式之NPD曲線。
● HNM利用根據操作模式之個別參考速度。直升機SEL位準被重新以160節為參考速度，這也是所有INM噪音曝露量所要求之參考速度。
● HNM曲線終止於10,000呎處。用於INM時，直升機之SEL曲線被推斷為16,000和25,000呎。
HeloExample研究中沒有直升機地面惰速、飛行惰速、地面效應懸停或離地效應懸停之最大位準資料。INM不支援這些類型之靜態直升機操作模式。
1.1.2.2非標準式直升機NPD曲線
INM 6.2中包含三種具非標準式NPD資料集的直升機型，其中兩種直升機具有擴大式NPD曲線(EC130和R22 – 不同空速和進場角度的資料)，另一種直升機則只具有水平飛越NPD曲線(MD600)。
R22和EC130之資料格式與另外16種標準型直升機之NPD資料不同。這兩種機型各有三個進場NPDs，分別代表三個不同的下降角度(3、6和9度)。它們也各有三個水平飛越NPDs，分別代表三種不同的參考速度(EC130為101、115和125節；R22為72、81和90節)。與標準型直升機相同的是，這兩種機型各有兩個完全相同的離場NPDs。在INM中，不同的推力設定被派以不同的速度和下降角度 (見表1-2)。

表1-2 EC130和R22 NPDs之推力設定識別因素

這些NPDs能夠以相同方式被用做標準式直升機NPDs。其方式為將利用範圍限制於下降角度為6 0之進場NPDs(APP推力設定2)和參考速度為0.8*Vh之飛越NPDs(在EC130為LFO推力設定1；在R22為LFO推力設定2)。EC130和R22具有所有四種類型的NPDs：SEL、LAMAX、PNLTMAX和EPNL。
MD600之資料格式與另外16種標準型直升機之NPD資料非常類式，唯有兩個明顯例外：(1) MD600只有水平飛越NPDs – 這種直升機沒有進場和離場NPDs；(2) MD600具有所有四種類型的NPDs：SEL、LAMAX、PNLTMAX和EPNL。
1.1.3地面航跡
直升機噪音預測模式建立可採用之最多用途航跡類型為INM飛越(OVF)航跡。這些航跡可以在Input Graphics視窗中利用點擊方法加以定義。飛越航跡的起點和終點可以在任何地方。HeloExample研究中為飛越航跡 – HELO1做了定義。
1.1.4原型輪廓
直升機輪廓先在Acft // Profile Identifiers視窗中命名，然後在Acft // Fixed-Point Profiles視窗中建立。HeloExample研究中含有B212直升機的兩個OVF輪廓 – 使用者第1階段(USER-1)和使用者第2階段(USER-2)。B212-USER-1輪廓是USER-2輪廓所賴以建立之原型輪廓。
第1點開始時的數據為：距離0呎，機場標高0呎，實際空速5節，推力設定1和離場模式D。第2點為距離500呎，標高200呎和空速15節。第3點為距離1,000呎，標高500呎和空速70節，這時直升機已轉換為飛越模式X。到了距離為2000呎時，直升機又轉換為進場模式A。接著，直升機開始下降，並以1900呎為單位分兩段減速。首先減為空速15節並降至標高300呎，最後以空速15節降至標高0呎。
值得注意的是，即使在地面上，直升機所指定的速度也必須大於0，這是為了配合INM分段計算噪音曝露的方式。如果您將直升機的起始速度指定為0節，INM會將之改為35節。
各點所採用的推力設定皆為1。INM根據操作模式之設定為A、D或X，決定利用進場1、離場1和飛越1 NPD曲線來計算SEL值。
直升機分兩段加速至70節和標高500呎。如果分為三或四段，會更理想。無論就離場或進場而言，在低標高和低空速階段的點數多一些，有助於INM產生更平順和精確的SEL等高線。
原型輪廓的水平飛越段長度只有1,000呎。第4、5和6點的距離則有所改變，以建立直升機飛行操作所採用的實際輪廓。
當您利用Acft // Profile Graphs功能計算並顯示直升機輪廓時，原型輪廓非常有用。原型輪廓之設計著重於實際離場點和進場點。
1.1.5實際輪廓
INM將一個垂直輪廓覆蓋在水平航跡上，以建立一個三維飛行路徑。直升機的飛行路徑始於飛越航跡的開端，止於輪廓結束的地方。因此，您需要儘可能延伸輪廓，使其達到飛越航跡的末端。
做到這點的最簡單方法就是利用試算表，計算出航跡的長度和新的距離值。HeloExample研究中的一個Excel檔(trk_segs.xls)，為此計算過程提供範例。該xls檔之建立方式為，在Excel程式中開啟trk_segs.dbf檔，建立一個計算第1至2點或2至3點等航段間距的欄。然後，將航段間距加總起來，再乘以6,076.12，將單位從浬轉換為呎。如此一來，該dbf檔便被以xls格式儲存起來。
航跡長度(69,077呎)是到最後一個輪廓點所需要的距離。到倒數第2個點的距離為航跡長度減去倒數第2個點至最後一個點的距離(1,900呎)。
值得注意的是，只有到第4、5和6點的距離有改變，且飛越航段的長度已不再是1,000呎，而成為64,277呎了。
1.1.6飛行操作
一旦完成航跡和輪廓定義後，便可定義直升機的飛行操作。在HeloExample研究中，含有B212飛行操作之跑道OVF(即飛越操作)、輪廓USER-2和航跡HELO1。查看Output Graphics(輸出圖形)，注意SEL等高線如何圍繞HELO1航跡。
1.2 利用範例直升機資料之INM研究
以下是在INM研究中建立直升機噪音預測模式的檢查表：
(1)複製範例資料：建立INM研究。關閉INM研究。將HeloExample中的三個資料檔(aircraft.dbf, nois_grp.dbf, npd_curv.dbf )複製到研究目錄中。這三個資料檔將會覆蓋三個研究檔。如果您的研究中已有使用者定義的直升機，您需要將這三個資料檔併入三個研究dbf檔，而不是將它們覆蓋掉。您可以利用INM GUI或程式軟體(如Excel)做到這點。如果是利用Excel：(i) 開啟Excel中的三個研究檔；(ii) 開啟三個直升機資料檔；(iii) 複製您所選擇之直升機記錄；(iv) 將這些記錄插入研究檔；(v) 儲存研究檔。
(2)讀取直升機資料：開啟INM研究和Acft // Aircraft視窗。INM將顯示以下訊息：“A109不在您的研究中。您現在要將它加入嗎？” 如果您想要將A109直升機加入您的研究，回答“是”，反之便回答“否”。持續針對所有直升機的相同問題回答“是”或“否”。這時INM便在讀取存在於aircraft.dbf檔但未列入study.inm檔之直升機編號。INM讓您有機會將這些額外的直升機加入您的研究中。您所選擇的直升機將被載入研究中。您可以開啟Acft // Aircraft視窗，並利用Acft // Noise Graphs功能顯示NPD曲線，以確定直升機、噪音群和NPD記錄都已存在。
(3)定義飛越航跡：在Tracks // Input Graphics視窗中，為直升機建立一個或多個OVF航跡。航跡可以在任何有直升機起降場的地點開始或停止。如果您希望INM顯示直升機起降場地點，可以利用Setup // Location Points和View // Lat/Long Calculator功能，在直升機起降場地點建立附帶名稱符號。
(4)建立輪廓識別碼：在Acft // Profile Identifiers視窗中，為所有直升機建立輪廓識別碼記錄。務必要確定，建立的是飛越輪廓識別碼記錄，因為如此它們才可被用於OVF航跡。為每一種直升機建立一個輪廓識別碼記錄(如USER 1)。這些記錄將被用於建立直升機原型輪廓。為每一個與飛越航跡有關聯的輪廓建立一個或多個記錄(如USER 2、USER 3和USER 4)。譬如，如果您希望讓B206L在航跡HELO1和HELO4飛行，除了原型輪廓USER 1以外，您還需要找出輪廓USER 2和USER 3。利用直升機記錄中所記載的最大起飛重量，做為輪廓重量(profile weight)。
(5)建立原型定點輪廓：利用HeloExample研究中的B212-USER-1輪廓做為在Acft // Fixed-Point Profiles視窗中建立原型輪廓的範例。在接近地面及低速航段加入幾個離場或進場點。不要採用零速度。原型輪廓可能包含離場、飛越和進場點之任何組合。利用Acft // Profile Graphs功能查看標高和速度輪廓，以確定INM按照您想要的方式計算，因為INM會在飛越(後燃器)航段插入額外的點。不必建立其他輪廓(USER 2或3等)，因為這些輪廓可以利用原型輪廓複製。
(6)計算航跡長度：關閉INM研究。開啟Excel程式中的trk_segs.dbf檔，計算每條直升機飛越航跡的長度。您也可以利用試算表來計算配合航跡延伸輪廓所需要的距離。關閉trk_segs.dbf檔。開啟INM研究。
(7)複製及修改原型輪廓：在Acft // Fixed-Point Profiles視窗中，選擇一種直升機，選擇其原型輪廓(如USER 1)，按轉換鍵，再點擊最後一個輪廓點，將所有點的編號反白，執行Edit // Copy Records，選擇另一個輪廓識別碼(如USER 2)，執行Edit // Paste Records。然後，更改需要配合航跡延伸之所有輪廓點的距離值。針對所有直升機之所有輪廓，重複此一複製及修改程序。
(8)定義飛行操作：建立直升機航跡及所選擇航跡上之輪廓以後，便可在Ops // Flight Operations視窗中利用Runway OVF功能來定義直升機飛行操作。您必須注意輪廓與航跡之相對關係。命名慣例將有助於您管理這點。譬如，不要將相對於航跡HELO4之輪廓命名為USER-3，要將之稱為HELO4-1。
2. 利用NMPlot網格檔結合等噪音線
美國空軍的NMPlot電腦程式[3]可以讀取一個或多個噪音模式網格格式的檔案(grd檔)。尤其，NMPlot可以相加兩個含有噪音量資料的grd檔，以顯示相當於總噪音量的等噪音線。
INM可以建立與NMPlot相容的nmplot.grd檔，因此，如果可以從另一個噪音模式得到一個grd檔，如HNM或美國航太總署(NASA)的迴旋翼機噪音模式(RNM)，這兩個檔案便可結合在一起。INM或NMPlot便可顯示固定翼機加迴旋翼機的等噪音線。
2.1. HNM輸出轉換結合INM網格檔案
HNM計算出的噪音位準被以二進位格式儲存於for22.dat檔。該檔案含有三維三角形。三角形頂點的z值為噪音位準，x-y值為噪音位置。
INM 6.0c之Helo子目錄中的HnmGrd.exe程式可以將HNM 2.2版的輸出資料轉換為grd格式。HnmGrd.exe是在DOS視窗中執行的Windows控制台電腦程式。
利用INM或NMPlot，可以將HNM grd檔附加於INM grd檔，以產生代表直升機及飛機噪音的等噪音線。
2.1.1如何利用HnmGrd.exe電腦程式
以下步驟介紹如何利用HnmGrd.exe程式結合HNM和INM輸出：
1.在INM中，載入一個研究，執行一個個案(如AcftCase)，並顯示輸出(如AcftCase.out)。
2.建立一個INM個案，以保留直升機資料(如HeloCase)。將Run // Run Options中的執行類型設定為“單一度量標準”，並選擇與INM個案相同的噪音度量標準(如DNL)。
3.建立INM輸出檔案，以利直升機資料輸出(如HeloCase.out)。依序選擇噪音度量標準、"OneCase"和HeloCase個案。
4.在DOS視窗中，執行HNM，再將for22.dat檔複製到INM HeloCase目錄。
5.建立一個文字檔(hnmgrd.cfg)，並將之儲存於與HnmGrd.exe程式相同的目錄。hnmgrd.cfg檔中的每一個參數均必須依以下順序另起一行：
● 通至INM研究目錄之完整路徑名稱(如C:\InmStudy\HnmTest)。
● INM直升機資料個案名稱(如HeloCase)。
● INM直升機資料輸出名稱(如HeloCase.out)。
● INM研究之十進位度數緯度(北方為正數)。
● INM研究之十進位度數經度(東方為正數)。
參見Helo子目錄中的範例cfg檔。
6.在DOS視窗中輸入“HnmGrd”，以執行HnmGrd.exe檔。HnmGrd.exe讀取hnmgrd.cfg檔、讀取HeloCase目錄中的for22.dat檔、並將一個nmplot.grd檔寫入HeloCase.out輸出目錄。
7.在INM中，建立另一個輸出目錄(如Acft+Helo.out)。選擇噪音度量標準，選擇"Log-Add"，再選擇個案1 AcftCase及個案2 HeloCase。
8.顯示Acft+Helo.out。INM將兩個nmplot.grd檔(一個在AcftCase.out中，另一個在HeloCase.out中)結合為一個nmplot.grd檔。該nmplot.grd檔被儲存於Acft+Helo.out目錄。
2.1.2額外資訊
HNM不會將網格點矩形陣列儲存於for22.dat檔，它只會儲存噪音量高於定義之最低等噪音線減10dB的三角形。此一策略使得HNM網格點之邊緣形成一個不規則的多邊形，而不是矩形。如果要將多邊形延伸至等噪音線視窗的邊緣，最低等噪音線應該設定得非常低(如DNL 35dB)。
包含Acft+Helo.out等噪音線的區域為AcftCase與HeloCase等噪音區域之交集(相同部分)。也就是說，在設定HNM run時，等噪音線視窗必須比INM視窗大，以使得HNM矩形能夠完全覆蓋INM矩形。意欲與INM結合之HNM run，其覆蓋範圍必須遠大於直升機分析通常考慮的範圍。
INM無法顯示唯直升機等噪音線。這是因為INM會在HeloCase目錄中搜尋利用INM計算噪音所產生的檔案。這樣的檔案並不存在，因此INM會顯示一個錯誤訊息。但如果利用HNM或NMPlot程式，便可以顯示直升機等噪音線。
2.2RNM網格檔案結合INM網格檔案
RNM grd檔可以與INM grd檔結合，如前文所描述HNM的情形。兩者間唯一的差別在於，RNM grd檔與INM grd檔結合，不需要輸出資料轉換步驟，因為RNM已經可以支援NMPlot相容輸出。
RNM grd檔相關要點如下：
1.RNM產生一個含有CART區段的grd檔，CART區段中含有x-y座標系統原點之緯度和經度。RNM grd檔之經緯度必須與INM研究之經緯度相同。經緯度在RNM ops輸入檔之AIRFIELD區段設定。
2.在RNM run 輸入檔中，利用關鍵字COMPUTEGRD建立一個grd檔，並設定噪音度量標準類型。RNM度量標準類型必須與INM度量標準類型相同。
3.RNM在一個矩形輪廓分析區內建立一個規則的網格點陣列。RNM等高線矩形必須等於或大於INM的矩形，如此兩者相加的共同區域便等於INM的矩形大小。
4.RNM的網格必須非常小，以致於能夠達到與INM細分網格相同的噪音值精準度。RNM不具有迴歸細分網格能力。
5.除了網格點噪音值以外，RNM還會將“興趣點” (points-of-interest)、跑道、直升機起降場和航跡等資料寫入grd檔案，但這些資料不會干擾INM的對數相加(Log-Add)功能。
資料來源：http://www.faa.gov/ABOUT/OFFICE_ORG/HEADQUARTERS_OFFICES/AEP/MODELS/inm_model/inm6_2/