航空機騒音の新評価指標Ldenの予測と基礎調査について 小規模飛行場周辺における事例紹介

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、「航空機騒音に係る環境基準」に定められた評価指標であるWECPNLにより環境基準の地域類型指定が行われています。ご存知の通り、航空機騒音における環境基準の評価指標は平成25年4月に、これまでのWECPNLから新しい評価指標であるLdenに改訂されます。これに伴い、これまでWECPNLによる地域類型指定がなされていた地域においてはLdenの騒音分布状況に合わせた指定地域の見直しが行われています。また、これまで評価対象ではなかった小規模飛行場周辺でもLden評価を行うことが可能となったため、必要に応じて新たな地域類型指定を行うことになります。

今回ご紹介させていただく事例の発注者である自治体様でも、主にヘリコプターが飛来する小規模飛行場について、平成25年度までに、その必要性を含めてLdenによる地域類型指定を行うことが検討されています。今回、そうした小規模飛行場周辺で、地域類型指定の基礎データとなるLdenの騒音分布状況を示すコンター図作成のお手伝いを、当社でさせていただくことになりました。これまでにも私たちは基礎調査から騒音予測の手法検討及び実施までを一貫して請け負う随一の業者として、多くの場所で航空機騒音の予測調査業務に携わってきました。調査では実態に即した予測結果を求められますので、まず現地において基礎調査を行い、その結果を反映した計算モデルを用いてWECPNLによる航空機騒音予測を行ってきました。しかし、ヘリコプターが主体の小規模飛行場周辺におけるLdenの本格的な騒音予測は私たちとしても初めての試みでしたし、他に類例もほとんどない中で、試行錯誤を繰り返しながら、最終的には地域類型指定の基礎データを得て、騒音コンターを作成することができました。今後、地域類型指定の見直しや、国内各地に点在する同様の小規模飛行場周辺の地域類型指定を予定されている自治体様の参考になると考え、また、発注者様のご了解をいただけたことから、今回ご紹介させていただくことになりました。なお発注者様の自治体名と調査対象の飛行場名は、現在、発注者様で地域類型指定の手続き検討中ということもあり、ここでは伏せさせていただきます。

2. 航空機騒音予測の基本的な考え方

航空機騒音の予測を行うためには、2つの計算モデルが必要です。1つは航空機が飛行する位置を連続的に示す「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」から航空機と受音点(騒音予測地点)までの直線距離であるスラントディスタンス(以下、SDと表記します)を座標計算で算出します。次にそのSDに応じた音の減衰量として、距離減衰及び超過減衰を算出します。そしてもう1つの計算モデルである「音源モデル」から算出した音の減衰量を差し引くと、受音点での騒音レベルが算出されます。これが航空機騒音予測の基本的な考え方です。

図1 航空機騒音予測の基本的な考え方
図1 航空機騒音予測の基本的な考え方

WECPNLの予測では、航空機1機が通過した際の最大騒音レベルが評価単位になりますので、航空機を無指向性の点音源と仮定し、航空機が予測点に最接近した一点だけに着目して、そのときのSDに応じた騒音レベルを最大騒音レベルとして算出することができました。しかしLdenでは、航空機1機が通過した際のLAE(単発騒音暴露レベル)を算出しなければなりません。最大騒音レベルが騒音レベル波形の中で最も大きい瞬時の騒音レベルであることに対して、LAEは騒音レベル波形の総エネルギー値ですので、最大騒音レベル算出時のように最接近点のSDだけに着目した考え方ではLAEを算出することはできません。そのため、LAEを予測するための新たな手法を検討することから始めました。

図2 最大騒音レベルとLAEの違い
図2 最大騒音レベルとLAEの違い

3. LAE予測の基本的な考え方と新たな課題

LAEの予測であっても、WECPNL予測時の計算モデルが使えないか、と私たちは考えました。つまりLAEの予測手法においても、これまでの最大騒音レベル算出の基本である、SDと騒音レベルの関係に着目し、音が聞こえている範囲において、SDを0.1秒毎に連続的に算出して、それぞれの距離に応じた騒音レベルを連続的に求め、これらを積分することでLAEを算出する手法を採用しました。

図3 LAE予測の基本的な考え方
図3 LAE予測の基本的な考え方

しかし、LAEの予測を行うには他にもクリアしなければならない課題があります。

その1つが音源の指向性です。航空機が受音点に向かって接近してくる際に受音点で観測される騒音は、航空機の前部から発生する音が空気中を伝播してきますので、騒音レベル波形の前半部は、この前部からの発生音の特性の影響が大きいと考えられます。一方、航空機が受音点から遠ざかる際は、航空機の後部の騒音特性による影響を強く受けると考えられます。

図4 音源の指向性が騒音レベル波形に与える影響の例
図4 音源の指向性が騒音レベル波形に与える影響の例

そのため厳密にLAEの予測を行う際には、航空機と受音点との位置関係によって、前部、後部2つの音源を使い分ける必要があります。一般的な旅客機では受音点に対して前を向いているときは、エンジン前部から発生するファンノイズが主音源となり、後ろを向いているときは、エンジン後部から発生するジェットミキシングノイズやタービンノイズなどが主音源になるといわれます。また今回の調査対象としたヘリコプターでは「ブレードスラップ音」と呼ばれる特有の音が発生します。これはヘリコプターが飛行する際に聞こえる、「バタバタ」という音で、先に通過したブレード(回転翼)が発生させた空気の渦を、後から通過するブレードが叩くことにより発生します。またこの音はヘリコプターの前方に対して強い指向性を示すことが多いといわれております。

図5 ブレードスラップ音発生の仕組み
図5 ブレードスラップ音発生の仕組み

次に考慮しなければいけないのが音源の移動速度です。LAEは騒音レベル波形の面積に相当しますから、音源が移動する速度が遅いほど波形の面積が大きくなるため、LAEは大きくなり、反対に速度が速いほどLAEが小さくなります。図6は常に同一の音源で飛行すると仮定した航空機が、同じ飛行経路を、異なる速度で移動した場合の、受音点における騒音レベル波形の違いを示したものです。音源は同一ですから、飛行速度による最大騒音レベルの変化はありません。しかし左図の騒音レベル波形に比べて遅い速度で飛行した右図の騒音レベル波形は、波形の裾野が長くなり、総面積が大きくなるため、LAE値は大きくなります。

図6 音源の移動速度とLAEの関係
図6 音源の移動速度とLAEの関係

さらにLdenの場合、飛行音だけでなく、場内音と呼ばれる、飛行場内で発生する騒音も考慮する必要があります。

ヘリコプターが常駐する飛行場の場内音は、格納庫やハンガーからヘリパッドまでの移動の際に発生するタクシーイング音や、ハンガーやヘリパッド上でのホバーリング音が考えられます。しかし実際の飛行場内でどのような場内音が発生しているのかといったデータを入手することはできませんので、実測調査で状況確認を行うこととしました。

4. 基礎調査の実施(実測による基礎データの取得)

基礎調査では、航跡調査、騒音調査を同時に行います。航跡調査は簡易経緯儀を用いた有人による三角測量測定を複数地点から同時に行います。騒音調査は後処理で音の減衰量を算出する必要があるため、騒音レベルの記録と共に実音も収録します。(基礎調査の詳細は技術ニュース第27号記事をご参照下さい。)

上記2つの実測調査に加え、場内音把握のための基礎調査として、飛行場内を見渡せる場所に測定員を配置し、場内状況を目視で確認しました。場内では複数のヘリコプターが様々に移動して、ホバーリングやタクシーイングを行いますので、写真3のようにビデオカメラを2台設置して飛行場内全域を録画し、後に詳細な分析を行いました。さらに飛行場内にある施設の屋上に測定器を設置して、周波数分析用の実音収録も行いました。

写真1 場内音発生状況確認調査状況
写真1 場内音発生状況確認調査状況

5. 計算モデルの作成

これらの実測調査で得たデータを解析して、予測に必要な計算モデルの作成を行いました。基本的には機種、飛行形態など、音源や飛行経路の違いによって実測データを分類し、それぞれを平均化するなどして、音源モデルと航跡モデルを作成します。音源の指向性と移動速度についても、実測データの解析によりモデル化しました。その一例として、音源の指向性の解析について、受音点で得られた連続した騒音レベルをSDに応じた減衰量を逆補正したデータから、音源から1m地点での騒音レベルの時間推移に換算した例を図7に示します。

図7 音源から1m地点での騒音レベルの推移
図7 音源から1m地点での騒音レベルの推移

図7は受音点の直上を通過したヘリコプターの例ですが、受音点で記録した最大騒音レベル発生時刻付近と、一旦騒音レベルが下がった後にもう1度、大きな騒音レベルが発生している様子がわかります。このように受音点と航空機の位置関係により騒音の経時変化が異なるパターンを示すことも確認されました。ただしこの位置関係と発生する音源のパターンは複雑であるために、モデル化が難しく、また今回の調査目的が環境基準の類型指定の基礎データ取得であったことから、最も大きな音が発生した際の音源のひとつのみをモデル化することとしました。また音源の移動については、機種による大きな違いが見られなかったため、飛行形態別にモデル化することとしました。LAEの算出区間は最接近時のSDの前後3倍までの距離の範囲とし、図8に示すように、航跡モデルに時間軸を与え、音源の移動速度を再現しました。

図8 移動速度のモデル化
図8 移動速度のモデル化

6. 騒音予測結果

こうして作成した計算モデルを用いて年間Ldenの航空機騒音予測を、飛行音と場内音に分けて行いました。私たちは予測値と実測値の差が概ね1dB以内にあれば、実態に即していると判断しています。今回は実測調査を行った6地点において、予測値と実測値の差を比較して、計算モデルの妥当性を検証しました。まず飛行音のみの予測値と実測値の比較を表1に示します。B、D、E、F地点においては、概ね1dB以内の差に収まっています。これらの地点は飛行場から離れ、場内音はほとんどない聞こえない場所です。しかしそれ以外のA地点やC地点では実測値に対して予測値が小さい結果となりました。A地点は滑走路端に近い場所で、現地にいると実際に場内音がよく聞こえます。またC地点は飛行場内で収録を行った場所で、場内音の影響を強く受けています。つまり、飛行場周辺では、飛行音だけの予測値と場内音を含む実測値との間に乖離があり、実態に即した結果を得るためには場内音の影響を考慮する必要があることがわかりました。

表1 実測と予測の差(予測は飛行音のみ) : 単位dB


ABCDEF
-2.1 +0.3 -22.2 +0.8 -1.1 +0.1

次に場内音の予測を行いました。場内音は音源が地上にあるため、周辺建物の影響を強く受けます。そこで、自社開発の騒音伝播シミュレーションソフトウェアGEONOISEを使用することとしました。これは工場、道路、鉄道、航空機等から発生する騒音の伝播を、周辺にある建物の形状による影響を含めて予測をすることを目的としたソフトウェアです。(詳細については技術ニュース第22号記事をご参照下さい。)

図9 GEONOISEに入力した飛行場周辺の建物形状と音源
図9 GEONOISEに入力した飛行場周辺の建物形状と音源

実際の予測では、まず初めにGEONOISEの入力エンジンを用いて飛行場周辺の建物形状を入力します。次に航跡調査で得られた、ハンガーからヘリパッドまでの経路上に、場内音の音源モデル値を入力していきます。このように計算条件を入力した後、予測計算を行いました。

図10 GEONOISEによる場内音の予測結果
図10 GEONOISEによる場内音の予測結果

図10から、周辺建物の影響を受けて場内音が複雑に分布する状況がよくわかります。この場内音の予測結果を、先ほどの飛行音による予測結果に加算した後、実測値と比較したものを表2に示します。

表2 実測と予測の差(予測は飛行音+場内音) : 単位dB


ABCDEF
-1.0 +0.3 +0.2 +0.8 -1.1 +0.2

飛行音だけの予測値は実測値より小さい結果となったA地点やC地点でも、場内音の影響を適切に評価することで、その差は1dB以内となり、すべての予測値で計算モデルの妥当性が確認できました。

7. おわりに

今回、小規模飛行場周辺におけるLAE予測手法を検討し、基礎調査で実測したデータから計算モデルを作成し、さらにその計算モデルを用いて、飛行音及び飛行場周辺の建物形状を考慮した場内音のLden予測計算を行いました。併せて予測値と実測値の検証も行い、計算モデルの妥当性を確認することができました。航空機騒音予測に関して、Ldenの騒音予測が求められるようになる中で、今回のような実態に即した予測結果を得られたことは大きな自信になりました。

最後に、本調査に関し多大なる御協力をいただくと共に、本記事の掲載を、ご快諾いただいた発注者様に深謝いたします。

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