Введение

Шум, создаваемый летательными аппаратами с двигателями, или авиационный шумовое загрязнение, – это шум, производимый самолетами в полете, который связывают с рядом негативных последствий для здоровья, вызванных стрессом, от расстройств сна до сердечно-сосудистых заболеваний. Правительства ввели строгие меры контроля, распространяющиеся на конструкторов, производителей и операторов самолетов, что привело к улучшению процедур и снижению уровня загрязнения. Звукоизлучение подразделяется на три категории:

Механический шум – вызван вращением деталей двигателя, особенно заметен, когда лопасти вентилятора достигают сверхзвуковой скорости. Аэродинамический шум – возникает из-за обтекания воздушным потоком поверхностей самолета, особенно при полете на малой высоте на высокой скорости. Шум от бортовых систем – кабины пилотов, системы наддува кабины, систем кондиционирования и вспомогательных силовых установок.

Шум двигателя и другие механические шумы

Большая часть шума в самолетах с винтами создается как винтами, так и аэродинамикой. Шум вертолета обусловлен аэродинамическим шумом от главных и хвостовых роторов, а также механическим шумом от главной коробки передач и различных цепей трансмиссии. Механические источники генерируют узкополосные пики высокой интенсивности, связанные со скоростью вращения и движением подвижных частей. С точки зрения компьютерного моделирования, шум от движущегося самолета можно рассматривать как линейный источник. Авиационные газотурбинные двигатели (реактивные двигатели) являются причиной большей части шума самолета во время взлета и набора высоты, например, "пилообразный" шум, возникающий, когда кончики лопаток вентилятора достигают сверхзвуковой скорости. Однако, с развитием технологий шумоподавления, корпус самолета обычно создает больше шума во время посадки. Большая часть слышимого шума двигателя обусловлена реактивным шумом, хотя турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности также производят значительный шум вентилятора. Высокоскоростная струя, выходящая из сопла двигателя, обладает внутренней неустойчивостью сдвигового слоя (если он недостаточно толстый) и скручивается в кольцевые вихри. Впоследствии эти вихри разрушаются, переходя в турбулентность. Уровень звукового давления (SPL), связанный с шумом двигателя, пропорционален скорости струи (в высокой степени). Следовательно, даже незначительное снижение скорости выхлопных газов приведет к существенному снижению реактивного шума. Двигатели являются основным источником шума самолетов.

Аэродинамический шум

Аэродинамический шум возникает из-за обтекания воздушным потоком фюзеляжа самолета и поверхностей управления. Этот тип шума увеличивается с ростом скорости самолета, а также на малых высотах из-за плотности воздуха. Реактивные самолеты создают интенсивный шум, обусловленный аэродинамикой. Низколетящие высокоскоростные военные самолеты производят особенно громкий аэродинамический шум. Форма носовой части, ветрового стекла или фонаря самолета влияет на создаваемый звук. Большая часть шума винтового самолета имеет аэродинамическое происхождение из-за обтекания воздуха лопастей. Основной и хвостовой роторы вертолета также являются источником аэродинамического шума. Этот тип аэродинамического шума в основном низкочастотный и определяется скоростью вращения ротора. Как правило, шум возникает, когда поток воздуха обтекает какой-либо элемент конструкции самолета, например, крыло или шасси. Выделяют два основных типа шума конструкции самолета:

Шум от тупых тел – попеременное сбрасывание вихрей с обеих сторон тупого тела создает области низкого давления (в ядре сброшенных вихрей), которые проявляются в виде волн давления (или звука). Отрыв потока вокруг тупого тела достаточно нестабилен, и поток "сворачивается" в кольцевые вихри, которые впоследствии распадаются на турбулентность. Кромковый шум – когда турбулентный поток проходит через конец объекта или зазоры в конструкции (зазоры между элементами механизации крыла), связанные с этим колебания давления воспринимаются как звук, распространяющийся от кромки объекта (радиально вниз). Повышенные уровни шума оказывают негативное влияние на здоровье. Длительное воздействие шума на рабочем месте или в других местах может привести к нарушению слуха, гипертонии, ишемической болезни сердца, раздражительности, нарушению сна и снижению успеваемости в школе. Хотя некоторая потеря слуха происходит естественным образом с возрастом, во многих развитых странах воздействие шума достаточно велико, чтобы вызвать ухудшение слуха в течение жизни. Повышенные уровни шума могут вызывать стресс, увеличивать количество несчастных случаев на рабочем месте, а также стимулировать агрессию и другие асоциальные формы поведения. Шум в районе аэропортов связан с повышенным кровяным давлением. Шум самолетов увеличивает риск сердечных приступов.

Немецкое исследование окружающей среды

В конце 2000-х годов Бернхард Грайзер по заказу Umweltbundesamt, центрального природоохранного ведомства Германии, провел масштабный статистический анализ влияния авиационного шума на здоровье населения. Были проанализированы данные о состоянии здоровья более миллиона жителей, проживающих в окрестностях аэропорта Кельна, для выявления связи между авиационным шумом и различными заболеваниями. Полученные результаты были скорректированы с учетом других источников шума в жилых районах, а также социально-экономических факторов, чтобы минимизировать возможные погрешности. Немецкое исследование пришло к выводу, что авиационный шум оказывает явное и значительное негативное воздействие на здоровье. Населенные пункты, подверженные воздействию шума, могут претендовать на меры по снижению его влияния, такие как звукоизоляция.

Шум в кабине

Шум самолетов также воздействует на людей, находящихся внутри воздушного судна: экипаж и пассажиров. Шум в кабине можно изучать для оценки профессионального воздействия и обеспечения здоровья и безопасности пилотов и бортпроводников. В 1998 году опрос 64 пилотов коммерческих авиакомпаний выявил случаи потери слуха и шума в ушах. В 1999 году NIOSH провел несколько замеров шума и оценок рисков для здоровья, в результате которых были обнаружены уровни шума, превышающие рекомендуемый предел воздействия в 85 дБ(A) для 8-часового TWA. В 2006 году уровень шума внутри Airbus A321 во время крейсерского полета составил приблизительно 78 дБ(A), а во время руления, когда двигатели самолета работают на минимальной тяге, уровень шума в кабине был зафиксирован на уровне 65 дБ(A). В 2008 году исследование, проведенное среди бортэкипажей шведских авиакомпаний, показало средние уровни звука от 78 до 84 дБ(A) при максимальном взвешенном уровне воздействия 114 дБ(A), однако значительных изменений слухового порога не было выявлено. В 2018 году исследование уровней шума, измеренного на 200 рейсах, представляющих шесть групп воздушных судов, показало средний уровень шума 83,5 дБ(A), с пиковыми значениями до 110 дБ(A) на отдельных рейсах, однако только 4,5% рейсов превысили рекомендуемый NIOSH 8-часовой TWA в 85 дБ(A).

Когнитивные эффекты

Было показано, что имитируемый авиационный шум на уровне 65 дБ(A) негативно влияет на память и воспроизведение слуховой информации. В одном исследовании, сравнивавшем влияние авиационного шума и алкоголя на когнитивные способности, было установлено, что имитируемый авиационный шум на уровне 65 дБ(A) оказывает такое же воздействие на способность людей вспоминать слуховую информацию, как и состояние опьянения с концентрацией алкоголя в крови (BAC) 0,10. Концентрация алкоголя в крови 0,10 вдвое превышает допустимый предел для управления транспортным средством во многих развитых странах, таких как Австралия.

Программы смягчения последствий

В Соединенных Штатах, с тех пор как авиационный шум стал предметом общественного обсуждения в конце 1960-х годов, правительства приняли законодательные меры по его регулированию. Конструкторы, производители и эксплуатанты самолетов разработали более тихие воздушные суда и улучшили процедуры эксплуатации. Современные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности, например, значительно тише, чем турбореактивные и турбовентиляторные двигатели с низкой степенью двухконтурности 1960-х годов. Сертификация FAA позволила добиться снижения уровня шума, классифицированного как самолеты "Этапа 3", который затем был обновлен до сертификации "Этапа 4", что привело к созданию еще более тихих самолетов. Это привело к снижению воздействия шума, несмотря на рост трафика и его популярность. В 1980-х годах Конгресс США уполномочил FAA разрабатывать программы по звукоизоляции домов, расположенных вблизи аэропортов. Хотя эта программа не решает проблему внешнего шума, она оказалась эффективной для жилых помещений. Среди первых аэропортов, где эта технология была применена, были международный аэропорт Сан-Франциско и международный аэропорт Сан-Хосе в Калифорнии. Используется компьютерная модель, имитирующая воздействие авиационного шума на строительные конструкции. Можно изучать различные типы самолетов, схемы полетов и местные метеорологические условия. Затем можно оценить эффективность стратегий модернизации зданий, таких как обновление кровли, улучшение остекления окон, установка глушителей в каминах и герметизация строительных швов.

Ограничения на ночные полеты

В аэропортах Хитроу, Гатвик и Станстед в Лондоне (Великобритания) и аэропорту Франкфурта (Германия) действуют ограничения на ночные полеты с целью снижения уровня шумового воздействия в ночное время.

Спутниковые навигационные системы

Использование спутниковых навигационных систем может способствовать снижению уровня шума, как показали испытания, проведенные в 2013-2014 годах, хотя результаты не всегда были положительными из-за сгущения траекторий полетов. Изменение углов и маршрутов полетов привело к некоторому снижению шума для отдельных жителей близлежащих районов.

Конструкция двигателя

Современные турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности не только более экономичны по расходу топлива, но и значительно тише, чем старые турбореактивные и турбовентиляторные двигатели с низкой степенью двухконтурности. На новых двигателях шумоподавляющие шевроны дополнительно снижают уровень шума, а на старых двигателях используются шумоглушители для уменьшения избыточного шума.

Местоположение двигателя

Возможность снижения шума может быть ограничена, если двигатели остаются под крыльями самолета. NASA ожидает кумулятивного снижения на 20–30 дБ по сравнению с ограничениями Этапа 4 к 2026–2031 году, но для удержания уровня шума самолетов в пределах границ аэропорта требуется снижение как минимум на 40–50 дБ.