항공기 소음공해

Aircraft noise pollution
베를린 테겔 공항 소음도

항공기 소음 공해란 비행 중인 항공기에 의해 발생하는 소음으로 수면 장애부터 심혈관 질환에 이르기까지 여러 가지 부정적인 스트레스 매개 건강 영향과 연관되어 왔다.[1][2][3] 정부는 항공기 설계자, 제조자 및 운영자에게 적용되는 광범위한 규제를 제정하여 절차를 개선하고 오염을 줄였다.

사운드 생산은 세 가지 범주로 나뉜다.

  • 기계적 소음—팬 블레이드가 초음속 속도에 도달할 때 가장 눈에 띄는 엔진 부품의 회전
  • 공기역학적 소음—항공기 표면 주위의 기류에서 발생하는 소음, 특히 고속으로 저공비행할 때 발생한다.
  • 항공기 시스템의 소음—콕핏 및 실내 가압 및 조절 시스템, 보조 동력 장치.

음향 생산 메커니즘

소음 발생 항공기 프로펠러

항공기 소음은 보조 동력장치와 같이 주차된 상태에서 지상 주행 중, 프로펠러 및 제트 배기가스에서 활주로에 있는 동안, 이륙 중 아래 및 측면, 출발 및 도착 경로로 이동하는 동안, 또는 착륙 중에 발생하는 소음 공해다.[citation needed] 제트 엔진이나 프로펠러를 포함한 움직이는 항공기는 공기의 압축과 희소작용을 일으켜 공기 분자의 움직임을 만들어 낸다. 이 운동은 기압파로 공기를 통해 전파된다. 이러한 압력파가 청각 주파수 스펙트럼 내에서 충분히 강하면 청각이 발생한다. 항공기 형태에 따라 소음 수준과 주파수가 다르다. 소음은 다음과 같은 세 가지 주요 소스에서 발생한다.

  • 엔진 및 기타 기계적 소음
  • 공기역학적 소음
  • 항공기 시스템 소음

엔진 및 기타 기계적 소음

글렌 연구소의 NASA 연구원들이 1967년 제트 엔진 소음에 대한 테스트를 실시했다.

프로펠러 항공기의 소음의 대부분은 프로펠러와 공기역학에서 똑같이 발생한다. 헬리콥터 소음은 메인 및 테일 로터의 공기역학적으로 유발된 소음과 메인 기어박스와 다양한 변속기 체인의 기계적으로 유발된 소음이다. 기계적 공급원은 이동 부품의 회전 속도 및 이동 속도와 관련된 좁은 밴드 고강도 피크를 생성한다. 컴퓨터 모델링 용어로 움직이는 항공기의 소음을 선원으로 취급할 수 있다.

항공기 가스 터빈 엔진(제트 엔진)은 팬 블레이드의 끝이 초음속 속도에 도달할 때 발생하는 버즈사우 소음과 같이 이륙과 상승 중 항공기 소음을 대부분 담당한다. 그러나 소음 감소 기술이 발전함에 따라, 착륙 중에 기체가 일반적으로 더 시끄러워진다.[citation needed]

엔진 소음의 대부분은 제트 소음 때문이다. 높은 바이패스 비율 터보팬은 상당한 팬 소음을 가지고 있지만. 엔진 뒤쪽에서 빠져나오는 고속 제트는 본질적인 전단 층 불안정성을 가지고 있으며(충분하지 않은 경우) 링 포티스로 굴러 올라간다. 이것은 나중에 난기류로 분해된다. 엔진 소음과 관련된 SPL은 제트 속도(고출력)에 비례한다. 따라서 배기 속도가 다소 감소하더라도 제트 소음은 크게 감소할 것이다.[citation needed]

엔진은 항공기 소음의 주요 원천이다. 가이드 Pratt & Whitney PW1000G는 봄바디어 CSeries, 미쓰비시 MRJ 및 엠브레이어 E-Jet E2 크로스오버 협체 항공기의 소음 수준을 줄이는 데 도움이 되었다. 기어박스는 팬 팁 속도를 낮추기 위해 팬이 LP 터빈보다 1/3 빠른 최적의 속도로 회전할 수 있게 해준다. 현재 등가물보다 75% 적은 소음 공간을 가지고 있다. 수호이 슈퍼제트 100의 파워제트 SaM146은 3D 공기역학 팬 블레이드와 긴 혼합 덕트 유량 노즐이 달린 나셀이 있어 소음을 줄여준다.[4]

공기역학적 소음

747기의 전개된 착륙 기어 및 날개 플랩

공기역학적 소음은 항공기 동체와 제어 표면 주위의 기류에서 발생한다. 이러한 유형의 소음은 항공기 속도에 따라 증가하며 공기의 밀도로 인해 낮은 고도에서도 증가한다. 제트추진 항공기는 공기역학에서 강한 소음을 발생시킨다. 저공비행 고속 군용기는 특히 큰 공기역학적 소음을 낸다.

항공기의 코, 윈드실드 또는 캐노피의 모양은 생성되는 소리에 영향을 미친다. 프로펠러 항공기의 소음의 상당 부분은 날개 주위의 공기 흐름 때문에 공기역학적으로 발생한다. 헬리콥터 메인 로터와 테일 로터도 공기역학적 소음을 발생시킨다. 이러한 유형의 공기역학적 소음은 대부분 로터 속도에 의해 결정되는 저주파다.

일반적으로 소음은 비행기의 물체를 통과할 때 발생한다(예: 날개 또는 착륙 기어). 기체 소음에는 크게 두 가지 유형이 있다.

  • 블러프 바디 노이즈 – 블러프 몸체의 양쪽에서 번갈아 떨어지는 소용돌이는 압력파(또는 소리)로 나타나는 저압 영역(탈곡선 중심)을 생성한다. 엄포체 주위의 분리된 흐름은 상당히 불안정하며, 그 흐름은 "위로 굴러 올라간다"고 하며, 이 흐름은 나중에 난기류로 분해된다.[5]
  • 에지 소음 – 난류 흐름이 물체의 끝이나 구조물 내 간격(높은 리프트 장치 간격 간격 간격)을 통과할 때 물체의 가장자리로부터 소리가 전파될 때(반사적으로 아래쪽으로) 관련 압력 변동이 들린다.[5]

항공기 시스템 소음

흡기 패널이 열려 있는 보잉 787 꼬리의 APU 배기 장치

조종석과 객실 가압 및 컨디셔닝 시스템은 민간 항공기와 군용 항공기의 객실 내에서 주요 기여자가 되는 경우가 많다. 그러나 엔진 이외의 상업용 제트 항공기에서 발생하는 실내 소음의 가장 중요한 원인 중 하나는 보조 동력 장치(APU)로, 통상 압축 공기로 주 엔진을 시동하고 항공기가 지상에 있는 동안 전력을 공급하기 위해 항공기에 사용되는 선내 발전기다. 또한 일부 군용 항공기의 특수 전자 장비와 같은 기타 내부 항공기 시스템도 기여할 수 있다.

건강 효과

청각 보호 장치를 착용한 항공기 마샬러
추가 정보: 소음으로 인한 건강 영향

항공기 엔진은 주요 소음원으로 이륙 중 140데시벨(dB)을 초과할 수 있다. 공중에서 나는 동안 주요 소음원은 엔진과 동체 위의 고속 난기류다.[6]

높은 소리 수준에는 건강상의 영향이 있다. 높은 직장이나 다른 소음은 청각 장애, 고혈압, 허혈성 심장병, 짜증, 수면 장애, 학교 성적 저하를 초래할 수 있다.[7] 비록 어떤 청각 손실은 나이가 들면서 자연적으로 발생하지만,[8] 많은 선진국에서는 소음의 영향이 평생 동안 청력을 손상시키기에 충분하다.[9][10] 높은 소음 수준은 스트레스를 유발하고, 직장 내 사고율을 증가시키며, 공격성과 다른 반사회적 행동을 자극할 수 있다.[11] 공항 소음은 고혈압과 연관되어 있다.[12] 항공기 소음은 심장마비의 위험을 증가시킨다.[13]

독일의 환경 연구

2000년대 후반 베른하르트 그리저가 독일 중앙환경청인 움웰분담트(Umwelbundesamt)를 위해 항공기 소음이 건강에 미치는 영향에 대한 대규모 통계분석을 실시했다. 쾰른 공항 주변 100만 명 이상의 거주자의 건강 데이터는 항공기 소음과 관련된 건강 영향을 분석하였다. 그 결과 주거지역의 다른 소음 영향과 사회경제적 요인에 대해 데이터의 왜곡 가능성을 줄이기 위해 수정되었다.[14]

독일 연구에서는 항공기 소음이 분명하고 현저하게 건강을 해친다는 결론을 내렸다.[14] 예를 들어 하루 평균 60데시벨의 음압 수준은 관상동맥 심장질환을 남성 61%, 여성 80% 증가시킨다. 또 다른 지표로는 야간 평균 음압 수준이 55데시벨로 남성 66%, 여성 139%로 심장마비 위험성이 높아졌다. 그러나 통계적으로 유의미한 건강 영향은 40데시벨의 평균 음압 수준에서 일찍 시작되었다.[14]

FAA 조언

연방항공청(FAA)은 개별 민간 항공기가 특정 소음 인증 표준을 충족하도록 요구함으로써 방출할 수 있는 최대 소음 수준을 규제한다. 이 표준은 "단계" 지정에 의해 최대 소음 수준 요건의 변경을 지정한다. 미국 소음 표준은 미국 연방 규정(CFR) 제목 14부 36 – 소음 표준에 정의되어 있다. 항공기 형식 및 내공성 인증(14 CFR Part 36). FAA는 최대 주야 평균 65dB의 음량은 주거지역과 양립할 수 없다고 말한다.[15] 영향을 받는 지역의 지역사회는 방음 등의 완화를 위한 자격이 있을 수 있다.

실내 소음

일반적인 여객기 객실

항공기 소음은 승무원과 승객 등 항공기 내 사람들에게도 영향을 미친다. 객실 소음은 조종사와 승무원의 직업적 노출과 건강과 안전을 다루기 위해 연구될 수 있다. 1998년, 64명의 상업 항공사 조종사들이 청력 손실과 이명에 대해 조사를 받았다.[16] 1999년, NIOSH는 여러 가지 소음 조사와 건강 위험 평가를 실시했으며, 8시간 TWA로서 권장 노출 한도인 85A 가중 데시벨을 초과하는 소음 수준을 발견했다.[17] 2006년에 크루즈 중 에어버스 A321 내부의 소음 수준은 약 78 dB(A)로 보고되었으며, 항공기 엔진이 최소 추력을 낼 때 택시 중 실내 소음 수준은 65 dB(A)로 기록되었다.[18] 2008년 스웨덴 항공사 승무원을 대상으로 한 연구에서는 최대 A-가중 노출이 114dB인 78dB(A)에서 84dB(A) 사이의 평균 소리 수준을 발견했지만 큰 청각 교대조는 발견되지 않았다.[19] 2018년 6개 항공기 그룹을 대표하는 200개 항공편에서 측정한 소리 수준을 조사한 결과 특정 항공편에서는 110dB(A)에 이르는 미디어 소음 수준이 83.5db(A)로 나타났지만, NIOSH 권장 8시간 TWA 85dB(A)를 초과하는 비율은 4.5%에 불과했다.[20]

인지 효과

65 dB(A)에서 시뮬레이션된 항공기 소음은 개인의 기억력과 청각 정보의 리콜에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.[21] 항공기 소음이 인지 성능에 미치는 영향에 대한 한 연구에서 65dB(A)의 시뮬레이션 항공기 소음이 0.10의 혈중 알코올 농도(BAC) 수준에 도취된 것과 같은 청각 정보 회수 능력에 동일한 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다.[22] 0.10 BAC는 호주와 같은 많은 선진국에서 자동차 운전에 필요한 법적 한도의 두 배다.

완화 프로그램

참고 항목: 소음 완화
단열 유리로 소음 완화 제공

미국에서는 1960년대 후반에 항공 소음이 공공의 이슈가 된 이후, 정부들이 입법 통제를 제정했다. 항공기 설계자, 제조자 및 운영자는 더 조용한 항공기와 더 나은 운영 절차를 개발했다. 예를 들어 현대의 하이 바이패스 터보팬 엔진은 1960년대의 터보제트나 로우 바이패스 터보팬보다 조용하다. 첫째, FAA 항공기 인증은 "3단계" 항공기로 분류된 소음 감소를 달성했으며, 이는 "4단계" 소음 인증으로 업그레이드되어 항공기가 더 조용해졌다. 이는 교통량 증가와 인기에도 불구하고 소음 노출도를 낮추는 결과를 가져왔다.[23]

1980년대에 미 의회는 FAA에 공항 근처의 집들을 단열하는 프로그램을 고안하도록 승인했다. 이것은 외부 소음을 다루지 않지만, 이 프로그램은 주거용 인테리어에 효과적이었다. 이 기술이 적용된 최초의 공항으로는 샌프란시스코 국제공항과 캘리포니아 산호세 국제공항이 있었다. 컴퓨터 모델은 항공기 소음이 건물 구조물에 미치는 영향을 시뮬레이션하는 데 사용된다. 항공기 형태, 비행 패턴, 지역 기상학의 변화를 연구할 수 있다. 그런 다음 지붕 업그레이드, 창유리 개선, 벽난로 배플링, 코킹 시공 솔기 등의 건물 개조 전략의 이점을 평가할 수 있다.[24]

규정

헬리콥터 2단계 소음 표준: 접근법

단계는 미국 연방규제법(CFR) 제14부 36절에 정의되어 있다.[25] 민간 제트 항공기의 경우 미국 FAA 1단계는 가장 시끄럽고 4단계는 더 조용하다.[26] 3단계는 2000년부터 미국 민간 공항의 모든 대형 제트기와 터보프롭 항공기에 요구되었고,[25] 2015년 12월 31일까지 7만 5천 lb(34 t) 미만의 MTOW 항공기에 대해 최소한 2단계는 요구되었다.[26] 기존에는 ICAO 부속문서 16 제1권 제4장 표준에 해당하는 대형 항공기의 4단계였고, 보다 엄격한 제14장은 2014년 7월 14일부터 시행되었으며, FAA에 의해 2016년 1월 14일부터 5단계로 채택되어 무게에 따라 2017년 12월 31일 또는 2020년 12월 31일부터 새로운 형식 인증에 효력이 발생한다.[25]

미국은 더 큰 1단계와 조용한 2단계 헬리콥터를 둘 다 허용한다.[26] 가장 조용한 3단계 헬리콥터 소음 표준은 2014년 5월 5일에 발효되었으며 ICAO 8장 및 11장과 일치한다.[25]

ICAO 소음 표준[27]
챕터 년도, 3장 마진 유형[28]
없는 전에 없는 보잉 707, 더글러스 DC-8
2 1972 ~+16dB B727, DC-9
3 1978 기준의 737 클래식
4(4단계) 2006 -10dB B737NG, A320, B767, B747-400
14(5단계) 2017–2020 -17dB A320, B757, A330, B777, A320neo, B737 MAX, A380, A350, B787

야간 비행 제한

영국 런던의 히드로, 개트윅, 스탠스테드 공항과 독일 프랑크푸르트 공항에서는 야간 소음 노출을 줄이기 위해 야간 비행 제한이 적용된다.[29][30]

위성 기반 내비게이션 시스템

영국 '미래 공역 전략'과 유럽 전역의 '단일 유럽 하늘' 현대화 프로젝트의 일환으로 2013년 12월부터 2014년 11월까지 런던의 히드로 공항에서 일련의 재판이 진행되었다. 시험 결과, 비록 이것이 집중된 비행 경로로 인한 소음 불만(61,650개)을 크게 증가시키기는 했지만, 위성 기반의 항법 시스템을 사용하면 더 많은 주변 지역사회에 소음 완화를 제공할 수 있다는 것이 입증되었다. 이 연구에서는 이륙과 착륙을 위한 각도가 더 높아짐에 따라 항공기 소음을 경험하는 사람이 더 적어지고 보다 정밀한 비행 경로를 사용하여 소음 완화를 공유할 수 있어 출발 항공기의 소음 발자국을 제어할 수 있다는 사실을 발견했다. 소음 완화는 예를 들어 아침에 한 비행 경로를 사용하고 오후에 다른 비행 경로를 사용하여 비행 경로를 전환함으로써 향상될 수 있다.[32]

기술적 진보

엔진 설계

모던 하이 바이패스 터보팬은 연료 효율이 높을 뿐만 아니라 구형 터보제트와 로우 바이패스 터보팬 엔진보다 훨씬 조용하다. 신형 엔진에서는 소음을 줄이는 쉐브론이 엔진 소음을 더욱 감소시키는 [33]반면 구형 엔진에서는 쉿 키트를 사용하여 과도한 소음을 완화한다.

엔진위치

보잉 X-48 모델의 날개 위에 장착된 터보팬

엔진이 항공기 날개 아래로 유지될 경우 소음을 줄일 수 있는 능력이 제한될 수 있다. NASA는 2026–2031년까지 4단계 제한치보다 누적 20–30dB가 낮을 것으로 예상하지만, 항공기 소음을 공항 경계 내에서 유지하려면 최소한 40–50dB의 감소가 필요하다. 착륙 기어, 날개 슬랫 및 날개 플랩도 소음을 발생시키므로 새로운 구성으로 지면에서 차폐해야 할 수 있다. NASA는 날개 폭과 중간 홍합 나셀이 오픈 로터에 필수적일 수 있는 하이브리드 날개 몸체의 경우 30–40 dB, 심지어 40–50 dB의 소음을 줄일 수 있다는 것을 발견했다.[34]

2020년까지 현재 개발 중인 헬리콥터 기술과 새로운 절차로 인해 소음 수준은 10dB 감소하고 소음 발자국은 50% 감소할 수 있지만 헬기장을 보존하거나 확장하기 위해서는 더 많은 진보가 필요하다. 패키지 배송 UAS는 소음을 특성화하고 한계를 설정하며 영향을 줄여야 할 것이다.[34]

참고 항목

일반:

참조

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외부 링크