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Development of an aircraft noise emission model accounting for flight parameters
Zellmann, Christoph
Existing aircraft noise models are only partly suited for the assessment and optimization of noise abatement flight procedures. Either the models are too simplified, or are based on semi-empirical models which require ambitious flight parameters, or are not publicly available. In this thesis, an aircraft noise emission model for turbofan-powered aircraft was developed with the capability to take the flight configuration (thrust rating, airspeed, and aeroplane configuration) into account. Engine and airframe noise were modeled separately with a small number of model parameters. The approach is universal and thus applicable on many aircraft types.
To establish a data basis for different flight configurations under regular air traffic, extensive acoustical measurements around Zurich airport were realized. The acoustical data were processed with the help of flight data, flight paths, and meteorological data to obtain direction-dependent sound emission levels at the source. By means of this data base and multiple linear regression, three model variants with different level of detail were developed: an advanced model with three-dimensional directivity (3D) and two reduced models without aeroplane configuration. The reduced models, which can be applied if no flight data records are available, are modeled either with a three-dimensional directivity (3Dred) or a two-dimensional directivity (2Dred).
In total, 19 aircraft noise emission models for combinations of engine type and aircraft type were established. The main parameter for the engine noise model is the rotational speed of the engines, which also influences the directivity of the model. For airframe noise, the aircraft Mach number is the main parameter. However, also the landing gear is an important sound source of the airframe. If deployed early during approach and thus at high aircraft Mach numbers, it raises the total sound emission level up to 5 dB. Such local influence of the aeroplane configuration is represented by the 3D model.
A time-step method and a detailed propagation model were applied to simulate 10 524 flight events that were used for the development of the models. A comparison between 3D model and measurement resulted in a slight overestimation of the simulated sound exposure level of 0.1 dB with a standard deviation of 0.9 dB. In comparison, the simulated maximum sound pressure level was slightly underestimated and showed larger variations. The model variant 3Dred showed similar results, because the aeroplane configuration during approach is related to the aircraft Mach number. In contrast, the reduction to a two-dimensional directivity (2Dred) resulted in larger standard deviations.
Based on physical and empirical knowledge about sound generation, appropriate model parameters were chosen and linearized, whereby a physical behavior of the statistical model could be achieved. It was shown that the aircraft noise emission models are capable to reproduce the acoustical measurements with high accuracy. However, extrapolations to unknown flight configurations require validation with independent data in the future. The results of the thesis indicate the model’s great potential for the assessment and optimization of noise abatement flight procedures.
Heutige Berechnungsmodelle für Fluglärm sind nur teilweise zur Bewertung und Optimierung von lärmarmen Flugverfahren geeignet. Die Modelle sind entweder zu stark vereinfacht, basieren auf semiempirischen Modellen, die anspruchsvolle Flugparameter erfordern, oder sind nicht öffentlich zugänglich.
In dieser Arbeit wurde ein akustisches Emissionsmodell für Flugzeuge mit Strahltriebwerken in Abhängigkeit von Flugparametern (Leistungsstufe, Fluggeschwindigkeit und Konfiguration) entwickelt. Antriebs- und Umströmungslärm wurden dabei separat anhand weniger Modellparameter modelliert. Der Modellansatz ist universell und lässt sich auf verschiedene Flugzeugtypen anwenden.
Um eine Datengrundlage möglichst vieler Flugparameter zu erstellen, wurden umfassende akustische Messungen des Flugbetriebs am Flughafen Zürich durchgeführt. Anschließend wurden die akustischen Messungen mithilfe von Flugdaten, Flugbahnen und meteorologischen Profilen zur Quelle zurück gerechnet. Auf dieser Datengrundlage und multipler linearer Regression wurden drei Modellvarianten von unterschiedlichem Detaillierungsgrad entwickelt: Ein detailliertes Modell mit dreidimensionaler Richtwirkung (3D) und zwei reduzierte Modelle ohne Berücksichtigung der Konfiguration. Die reduzierten Modelle, die auch ohne Flugschreiberdaten verwendet werden können, sind entweder mit dreidimensionaler (3Dred) oder zweidimensionaler Richtwirkung (2Dred) modelliert.
Insgesamt wurden 19 akustische Emissionsmodelle für verschiedene Kombinationen von Flugzeug- und Triebwerkstypen erstellt. Für das Antriebslärmmodell ist die Drehzahl der Niederdruckwelle der wichtigste Modellparameter, mit dem sich auch die Richtwirkung verändert. Für das Umströmungslärmmodell ist die Machzahl der massgebende Modellparameter. Allerdings können auch die Fahrwerke den Gesamtschallpegel bei der Landung je nach Flugzeugtyp bis zu 5 dB erhöhen, besonders wenn sie frühzeitig, d.h. bei höheren Machzahlen, ausgefahren werden. Solch ein lokal wichtiger Einfluss wird durch das 3D-Modell berücksichtigt.
Unter Anwendung eines Zeitschrittverfahrens und eines detaillierten Ausbreitungsmodells wurden 10 524 Flugereignisse simuliert, die bereits für die Entwicklung der Modelle verwendet wurden. Ein Vergleich des 3D-Modells mit den Messungen ergab für die simulierten Ereignispegel im Mittel eine Überschätzung von 0.1 dB bei einer Standardabweichung
von 0.9 dB. Der simulierte Maximalschallpegel wurde im Mittel leicht unterschätzt bei größerer Standardabweichung. Das reduzierte Modell 3Dred zeigte ähnliche Ergebnisse, da der Einfluss der fehlenden Konfiguration bei Landungen mit der Machzahl skaliert. Die Vereinfachung auf eine zweidimensionale Richtwirkung (2Dred) hingegen zeigte eine größere Standardabweichung.
Anhand physikalischer und empirischer Kenntnisse der Schallentstehung wurden adäquate Modellparameter gewählt und linearisiert, wodurch ein physikalisches Verhalten des statistischen Modells erreicht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Emissionsmodelle die akustischen Messungen mit hoher Genauigkeit reproduzieren. Allerdings muss eine Extrapolation der Modelle außerhalb der bekannten Parameterbereiche noch durch eine Validierung mit unabhängigen Daten geprüft werden. Die Ergebnisse der Dissertation zeigen bereits das große Potential des Modells auf, lärmarme Flugverfahren präzise bewerten und optimieren zu können.
