軍用飛行場周辺における航空機騒音の予測と基礎調査について 厚木飛行場の環境基準地域類型指定地域見直し調査の事例紹介

DL事業部 小橋 修

1. はじめに

国内における多くの飛行場周辺では、航空機騒音から住民の生活環境を保全するために、環境基準の指定地域が定められており、地方自治体が航空機騒音の測定を行ってその動向を監視しています。そうしたことから東京都でも東京国際空港(羽田空港)を始めとする複数の飛行場周辺で航空機騒音の監視を行っています。その中の1つ、軍用飛行場である厚木飛行場周辺において、環境基準の指定地域外にある測定地点で基準値を超えることが多く見られたため、東京都が飛行場北側に位置する町田市内を対象に、指定地域の見直しを検討しました。しかし、複数点における短期間の騒音測定だけでは、指定地域を定めるための根拠となる地域全域の年間値を表す騒音コンターを把握することが困難だったため、「科学的根拠を持つ地域全域の年間騒音予測ができないか」と考え、弊社が今回の騒音予測と基礎調査を行うことになりました。

我々はこれまでに、多くの飛行場周辺で航空機騒音の予測や基礎調査を行ってきましたが、厚木飛行場周辺に関しては、その特殊性により、これまでにない新たな手法を用いる必要がありました。今回はこの調査事例を含めて、軍用飛行場における航空機騒音の予測と基礎調査の手法について紹介させていただきます。

2. 厚木飛行場周辺の状況

厚木飛行場は神奈川県綾瀬市と大和市に位置する、米海軍と海上自衛隊が使用する軍用飛行場です。都県境に近いため、空港北側を飛行する際の航空機騒音が東京都側に影響しますが、突出して大きな騒音を発するものは、空母に搭載される艦載機です。

写真1 艦載機の1つ 電子戦機 EA-6B プラウラー
写真1 艦載機の1つ 電子戦機 EA-6B プラウラー

これら艦載機は、空母が母港である横須賀港に入港する直前に大挙して厚木飛行場に飛来し、昼夜を問わず飛行訓練を繰り返します。そして、空母の出港に伴い一斉に飛び去ります。このように厚木飛行場周辺における騒音の発生状況は、空母の入港状況、すなわち艦載機の存在如何によって大きく変動する特徴があります。

写真2 横須賀港入港中の原子力空母ジョージワシントン
写真2 横須賀港入港中の原子力空母ジョージワシントン
*調査期間中の空母はキティホーク (2008年に退役)

3. 航空機騒音予測の概要と必要な基礎調査

航空機騒音予測のプロセスは「最大騒音レベルの算出」と「WECPNLの算出」の2つに分けられます。最大騒音レベルの算出には航空機に関する「騒音モデル」を2種類用います。1つは航空機の飛行経路を示す連続した座標データである「航跡モデル」、もう1つはその航空機が発する音源の大きさを示す「音源モデル」です。まず航跡モデルを用いて、予測点から航空機までの最接近直線距離(スラントディスタンス、以降「S.D.」とします)を求めます。次にそのS.D.に応じた音の減衰量として距離減衰量及び超過減衰量を算出します。最後に音源モデルから得た音源の大きさから音の減衰量を減じることにより予測点での最大騒音レベルを算出します。一方、WECPNLの算出は、機種、飛行形態(離着陸等)、飛行方向の分類ごとに、年間の飛行回数をまとめた第3の騒音モデルである「飛行モデル」にしたがって、最大騒音レベルの計算を繰り返し、予測点におけるWECPNLを算出します。

このように予測値の算出における基本的な考え方はシンプルです。重要なのはこれらに用いる3つの騒音モデルが、実態に即した代表的な騒音モデルであることで、これらを構築するための基礎調査は個々の状況に合わせた手法により行われます。今回も厚木飛行場周辺の状況に合わせた、軍用飛行場特有の手法により基礎調査を行いました。

騒音モデルを構築するためには大きく分けて3つの基礎調査が必要です。1つめはどのような航空機が年間に何回飛行するのか、を調査する「飛行回数調査」です。2つめはどのような航空機がどのような位置を飛行するのか、を調査する「航跡調査」、3つめは航空機別の音源の大きさを調査する「音響パワーレベル調査」です。それではこれら3つの基礎調査について紹介していきます。

4. 飛行回数調査

民間飛行場では、空港の運用記録が提供されることが多く、1年分の記録を集計することにより、机上で年間の飛行回数を算出することが可能です。しかし、厚木のような軍用飛行場、ましてや米軍の場合は、このような記録が出てくることは一切ありません。また、空母の動向による飛行回数の変化に加えて日変動も激しいため、短期間の有人調査では年間の把握はできません。そこで今回は有人調査と合わせて自動測定器による無人調査を行うことにより、年間の飛行回数を把握しました。

有人調査は、厚木飛行場が見渡せる位置において、飛来する航空機を目視により確認し、機種と飛行形態別に分類して飛行回数を記録しました。

写真3 有人調査の状況 (目視による確認)
写真3 有人調査の状況 (目視による確認)

飛行回数調査は調査員に機種を見分ける能力が求められます。特に軍用飛行場では多種多様な航空機が飛来するため、航空機の資料を見ながら、場合によっては写真撮影も行って、様々な航空機の見分けを行いました。中でもよく似た2種類の機種を見分けることに苦労しました。その2種類とは写真4及び5に示す「ホーネット」と「スーパーホーネット」です。それぞれの見分けがつきますでしょうか?

写真4 戦闘攻撃機 F/A-18C ホーネット
写真4 戦闘攻撃機 F/A-18C ホーネット

写真5 戦闘攻撃機 F/A-18E スーパーホーネット
写真5 戦闘攻撃機 F/A-18E スーパーホーネット

どちらも戦闘攻撃機と呼ばれる艦載機ですが、ホーネットに比べスーパーホーネットは攻撃機としての能力を高めるために、機体が大型化され、これに伴う重量の増加を補うためにエンジンも強化されたものに変更されています。それゆえに騒音レベルも大きいと、以前から話題になっておりました。このように見た目がほとんど同じ機種であっても、音源の大きさが異なっているのであれば分類する必要がありました。ちなみに見分ける場所は両翼の根本にあるエンジン吸気口の形です。ホーネットは楕円形状であるのに対し、スーパーホーネットは平行四辺形状になっています。これはエンジンの変更に伴い、吸気口を大型化する必要があったため、レーダーに映りにくくするためのステルス性能の向上も考慮して、このような形に変更されているそうです。この写真を見て見分けるのであればそれほど難しくもありませんが、実際には、とても小さく見えますし、なにしろ高速で移動しますので、これらを見分けるには相当の訓練が必要でした。

また、今回の飛行回数調査では、この目視調査と合わせて、地上の管制官とパイロットが無線で交信する航空無線の聴き取り調査も行いました。航空機は目視調査地点に突如として飛来しますので、事前に航空機の動きを把握することにより、すばやい対応を取ることができます。

写真6 有人調査の状況 (航空無線の聴き取り)
写真6 有人調査の状況 (航空無線の聴き取り)

航空無線による交信は基本的に英語で行われますが、国内の民間飛行場であれば多くの場合が日本人同士の英会話であるため、比較的聴きやすい傾向にあります。しかし、厚木飛行場では米兵同士の流暢な英会話ですし、場合によっては複数のチャンネルを同時に聴くこともあったため、聴いているほうはかなりの集中力を必要とします。

このような目視による有人調査を約1ヶ月間行いましたが、厚木飛行場は空母の入港状況により飛行回数が大きく変動するという特殊性から、この1ヶ月の調査結果だけで年間の飛行回数を推測することは困難で、より長期間に渡る実測データが必要でした。しかし、これ以上、有人調査を継続して行うことは、コスト面からも現実的ではありません。そこで自動測定器を用いた無人調査により長期間の実測データを得ることにしました。この調査は有人調査と同じ結果が得られる測定器を用いる必要がありましたが、そのような測定器は世の中にありませんでした。そこで弊社の航空機接近検知識別装置の技術を応用した自動測定器を新たに製作して用いることにしました。この自動測定器は上空を通過する航空機の騒音を記録すると同時に、航空機が発する特有の電波を受信・解析して、航空機の個体識別情報を記録します。この情報から直接的に機種を特定することはできませんが、有人調査で得た機種情報と紐付けすることにより、個体識別情報から間接的に機種の特定を可能としました。また、単純な騒音測定では編隊飛行を1機と誤認してしまい、正確な飛行回数を把握することはできませんが、この自動測定器では個々の航空機からの電波情報を捉えることにより、編隊飛行の場合でも正確な飛行回数を把握することができました。

このように有人調査と無人調査を合わせることにより、約1年間に渡る長期間の実測データを取得して、機種・飛行形態別の年間飛行回数を把握することができました。

5. 航跡調査

航跡調査は簡易経緯儀と呼ばれる測定器を用いた有人調査と、音源の到来方向を連続的に記録する自動測定器を用いた無人調査を行いました。

有人調査に用いる簡易経緯儀は、三脚の上に取り付けた望遠鏡の向きに合わせて、その方位角と仰角を出力する仕組みになっています。これを航空機の飛行範囲が十分に見渡せる位置に設置して、調査員が望遠鏡越しに航空機を目視で捕らえて、時刻と方位角及び仰角をコンピュータに記録します。

写真7 簡易経緯儀による有人調査の状況
写真7 簡易経緯儀による有人調査の状況

この測定を2点同時に行うことにより、三角測量の原理で航空機の飛行位置を連続して示す航跡データを算出することが出来ます。

図1 航跡調査と算出のイメージ図
図1 航跡調査と算出のイメージ図

目視可能な範囲の飛行経路を捕捉する事ができますので、その範囲は広く、測定精度も高い手法です。ただし目視による捕捉は調査員の手腕に頼るところが多く、民間機に比べると小さいうえに高速移動する軍用機を捕捉するには十分な訓練が必要でした。

一方、無人調査は、複数のマイクロホンを用いて音源の到来方向を捉える自動測定器を用いました。これは成田国際空港周辺で常時稼動している飛行高度コース自動監視システムのセンサー部分を三脚に取り付けたもので、暗騒音から十分に卓越する航空機騒音を発する航空機の飛行経路を自動で捕捉することができます。

写真8 自動測定器による無人調査の状況
写真8 自動測定器による無人調査の状況

有人調査に比べると捕捉範囲が狭くなりますが、視界の効かない夜間や天候不良時でも飛行経路を捕捉することができますので、長期間連続動作させることによって、より多くのデータを取得することが可能です。

このようにして取得した航跡データを、機種・飛行形態別に分類整理します。さらに飛行方向によって分類しますが、軍用飛行場は、軍用機が訓練のために縦横無尽に飛び回ることが多く、民間飛行場で用いるような行き先による飛行方向の分類を行うことができません。今回の基礎調査では、捕捉した飛行経路を、直進、右旋回、左旋回といったような大枠で分類しました。

また、モデル化をする際には、分類に該当する航跡データの飛行範囲幅やバラツキ頻度を基にして、代表的な飛行経路を複数作成し、それぞれの飛行頻度を設定します。ただし、軍用飛行場のバラツキは民間飛行場に比べると非常に激しいため、データ数が少ない場合には従来のモデル化手法では適切なモデルを構築することができないものもありました。こういった場合は騒音測定の実測値と比較しながら微調整を行って適切な航跡モデルを構築しました。

今回の航跡調査により、明らかになった厚木飛行場特有の事例を2つ紹介します。1つは離陸機の飛行経路です。

図2 離陸機の航跡調査結果
図2 離陸機の航跡調査結果

これまで離陸機は滑走路の傾きに沿って、北側に直進する(図2の点線矢印)ものと思われていました。しかし、調査結果より、離陸直後から西に大きく傾いて飛行していることがわかりました。これは米軍機だけでなく自衛隊機でも同様の傾向にあります。

次にGCAと呼ばれる着陸訓練時の飛行経路です。

図3 GCA着陸機の航跡調査結果
図3 GCA着陸機の航跡調査結果

これまで着陸機は北から滑走路に直進する飛行経路もしくは西から旋回し、この直線経路に進入する飛行経路が確認されていました。しかし、これらの飛行経路から外れている東の地域から「低空で飛行している」、「ものすごい爆音が聞こえる」といった苦情が多く発生していました。今回この東側から進入する飛行経路を初めて捕捉する事ができました。また、この飛行経路がGCA着陸時の経路であり、この時に発生する騒音レベルが非常に大きくなることも確認されました。GCAとは、ground controlled approachの略語で、地上の管制官がレーダーによって航空機の位置を測定し、機首方向や高度をパイロットに指示して航空機を滑走路まで誘導する着陸方式で、夜間や悪天候時など、視界が悪くパイロットが滑走路を目視できない場合に用いられます。

図4 通常着陸とGCA着陸の違い
図4 通常着陸とGCA着陸の違い

軍用機の着陸は、図4の通常着陸に示すように、滑走路上空を、高度を維持したまま一旦通過し、周回しながら高度を下げて着陸することが多く見られます。これはパイロットが目視により滑走路の状態を確認してから着陸態勢に入るためですとか、編隊飛行から単体飛行に移る際に航空機同士の距離を離すためなどと聞きます。このような着陸方式の場合では高度を保ちながら高速で移動しますので、騒音レベルは比較的小さく、暴露時間も短くなります。それに対し、GCAは通常着陸よりも高度が低く速度が遅いので、騒音レベルは大きく、暴露時間も長くなります。また、不定期にエンジンの空ふかしのような大きな騒音を発生させます。

なお、この東からの進入経路は有人調査地点から遠く、目視することが難しかったため、捕捉できたデータは少数でした。そこで、進入経路を捕捉できる位置に自動測定器を設置して、多数の航跡データを捕捉することにより、進入経路の幅とバラツキ頻度を把握しました。

6. 音響パワーレベル調査

機種・飛行形態別の音源の大きさを調査する音響パワーレベル調査は、航跡調査と同時に行いました。調査地点に自動測定器を設置して、騒音計のマイクロホンで捉えた航空機騒音をデジタル変換しハードディスクに実音データとして記録しました。次にこの実音データに対して周波数分析を行い、周波数ごとの騒音レベルを算出します。さらに航跡調査の結果から調査地点までのS.D.を求め、このS.D.に応じた音の減衰量を加算することにより、音源の大きさを求め、これを音響パワーレベルとしました。

音の減衰量は、距離減衰と超過減衰を考慮しています。距離減衰は航空機騒音を点音源と仮定して、倍距離-6dBの距離減衰としています。

図5 点音源の距離減衰量イメージ図
図5 点音源の距離減衰量イメージ図

次に超過減衰量ですが、最も大きく影響する空気吸収量はJIS Z 8738で規格されている「屋外の音の伝搬における空気吸収の計算」を用いています。音の空気吸収量は周波数ごとに異なり、また気温と相対湿度により変化しますので、調査期間中に気象データの取得も行いました。

図6 周波数別の空気吸収量 (気温25℃、相対湿度70%)
図6 周波数別の空気吸収量 (気温25℃、相対湿度70%)

航空機騒音では他にも地表面減衰と機体遮蔽(エンジンが機体により遮蔽される)を考慮することがあります。どちらも飛行経路から離れた航空機までの見上げ角が小さくなるような場所において影響が大きくなります。これらの算出については様々な分野で研究されていて、基本的な考え方は学会等で発表されていますが、実際には地域全体の地形や航空機の機体形状等に左右される部分が大きく、実測値に合うようにパラメータの微調整を要することが多いです。なお、今回の調査では直上を飛行する際の騒音影響が非常に大きく、これらの超過減衰量の寄与度が比較的小さいと思われたため考慮しませんでした。

このようにして求めた個々の音響パワーレベルデータを、機種・飛行形態別に分類整理し音源モデルを構築します。取得したデータには暗騒音の影響を受けているものや、S.D.と最大騒音レベルの関係が成り立たないもの、点音源と仮定した、倍距離-6dBの距離減衰量や超過減衰量が当てはまらないものなどのデータも含まれています。その中から有効なデータを選定し、実測値と比較しながら代表的な音源モデルとなるように精査を重ねて構築していきます。

これらの音源モデルを用いて、機種・飛行形態別に騒音レベルの比較を行いました。その中で明らかになった事例を2つ紹介します。

図7 機種別S.D.-騒音レベル曲線
図7 機種別S.D.-騒音レベル曲線

厚木飛行場周辺で話題となっていたF/A-18C ホーネットとF/A-18E/Fスーパーホーネットの違いを図7に示します。縦軸を騒音レベル(dB)、横軸をS.D.(m)としていますので、S.D.が大きくなるほどに騒音レベルは小さくなります。例えば、S.D.1,000mでの騒音レベルを見ますと、ホーネット(青線)に比べスーパーホーネット(緑線)は、概ね2dB程度大きくなっています。受音点での騒音レベルだけではS.D.が考慮されないため、明確な違いは明らかになっていませんでしたが、音源の大きさを基にして比較することにより、スーパーホーネットのほうが大きいことが確認できました。またそれ以上にEA-6Bプラウラー(赤線)のほうが大きいこともわかりました。

次に飛行形態による違いです。同じスーパーホーネットでGCAと通常着陸を比較しました。

図8 GCAと通常着陸のS.D.-騒音レベル曲線
図8 GCAと通常着陸のS.D.-騒音レベル曲線

これを見ると通常着陸(青線)に比べ、GCA(赤線)のほうが3dB程度大きいことがわかります。高度が低いために騒音レベルが大きいというだけでなく、音源の大きさでも差があることが確認できました。

7. 騒音予測結果

これまでの基礎調査の結果から、3つの騒音モデルを構築して航空機騒音の予測を行いました。これにより求められた騒音コンターは図9に示すような、先端が2つの方向に分かれた形のものになりました。滑走路が1本しかない飛行場における航空機騒音のコンター図で、このように先端が2つに分かれることはあまり見られません。これは厚木飛行場の北側における飛行経路の傾向が離着陸によって大きく異なっていることに関連しています。

まず滑走路の延長線上に対して、西側に傾いて伸びているコンターラインですが、これは離陸機の飛行経路に沿っています。次に滑走路延長線上に沿って鋭く伸びた後に、東側へやや傾きをもって伸びているコンターラインはGCA着陸機の飛行経路に沿っています。

このように一見すると根拠を疑われてしまうような特異な結果になりましたが、コンターの形は離陸時と着陸時の滑走路の延長線上に対する飛行経路の傾きが異なる、厚木飛行場北側の特殊性を見事に反映したものになりました。また、町田市内のおける複数の騒音測定地点における年間の測定結果と今回の予測値を比較したところ、ほとんどの場所で年間WECPNLの差が1ポイント以内に収まっていました。

図9 年間の騒音予測コンター図
図9 年間の騒音予測コンター図
*神奈川県側のコンター図は参考値のため点線で示しています。

8. おわりに

東京都は平成20年12月22日付で厚木飛行場の航空機騒音に係る環境基準地域類型指定の改正を行いました。ここに指定された地域は、今回の航空機騒音予測による基準値超過地域を完全に含むものになっています。これは今回の結果が、指定地域見直しを行うための科学的な根拠を持つデータであると認められたことでもあります。

この結果を実測の騒音測定だけで得るためには、非常に多くの地点で騒音測定を行わなければなりませんし、軍用飛行場である厚木飛行場の特殊性を考えれば、長期間の測定期間が必要で現実的ではありませんでした。また、既知のデータだけを用いて一般の手法により航空機騒音の予測を行う場合は、GCAのような基礎調査を行うことにより判明した事実は反映されませんので、実態と合わない結果になってしまい、指定地域見直しの根拠となるデータには値しなかったでしょう。このような中で実態を把握するための基礎調査を、これまでの測定技術に加えて、これらを応用した新しい技術により、多くの実測データを取得し、これを基礎とした騒音モデルによる騒音予測を行うことによって、実態に即した騒音予測の結果を得ることができたことは弊社にとっても大変喜ばしいことであります。

また、今回の騒音予測と基礎調査により得られたノウハウは、厚木艦載機の一部移転計画がある山口県の岩国飛行場や、極東最大の空軍基地といわれる沖縄県の嘉手納飛行場など、軍用飛行場問題を抱える様々な地域においても、個々の状況に応じた適切な対応ができるものと考えています。

今後は航空機騒音の評価値改定に伴い、航空機騒音予測でもLdenへの対応が必要になってきます。これに対しましても日々、調査研究を重ねて、開発を進めております。今後の技術ニュースや弊社主催の音環境セミナー等でご報告できるように努力していきたいと願っております。

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