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Consideration of aircraft noise annoyance during conceptual aircraft design = Berücksichtigung der subjektiven Flugzeuglärmbelästigung während des Flugzeugvorentwurfs



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Abhishek Kumar Sahai

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XXXII, 183 Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-06-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-071181
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668901/files/668901.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/668901/files/668901.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) (415310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aircraft noise prediction (frei) ; noise annoyance (frei) ; conceptual aircraft design (frei) ; psychoacoustics (frei) ; multidisciplinary design optimization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den subjektiven ‚Belästigung‘ (annoyance, im Englischen) Aspekt des Flugzeuglärms und wie dieser während des Flugzeugvorentwurfs minimiert werden kann. Die Belästigung entspricht hierbei der akustischen Belästigung, die direkt mit der Qualität des Flugzeugklangs zusammenhängt. Ein neuer Ansatz für die Bewertung von Flugzeuglärm während des Flugzeugvorentwurfs und dessen Optimierung wird verwendet, anstatt der gängigen Praxis einer Bewertung in A-bewerteter Pegel (dBA) oder Effektiver empfundener Schallpegel (Effective Perceived Noise Level, EPNL). Die fortgeschrittene heutige Kenntnis von Psychoakustik wird verwendet um Flugzeugentwürfe für optimale Klangqualität zu optimieren. Um die Auswirkung von Flugzeuglärm während des Flugzeugvorentwurfs zu berücksichtigen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine detaillierte parametrische Flugzeuglärm Simulationssoftware „INSTANT“ entwickelt. Um den Belästigungsaspekt zu berücksichtigen, wurde INSTANT mit der Fähigkeit zur Bewertung in ‚Sound Quality‘ Metriken von Lautheit, Tonalität und Schärfe erweitert. Diese Metriken erfassen unterschiedliche Eigenschaften des Flugzeuglärms, wie die Gesamtstärke des Schalls oder die Stärke der einzelnen Komponenten, das Verhältnis von Hochfrequenz- zu Tieffrequenzlärm und die wahrgenommene unmaskierte Ausgeprägtheit der tonalen Komponenten. Sensitivitätsstudien wurden für ein repräsentatives Kurzstreckenflugzeug mittels einer Integration von INSTANT in einer Flugzeugentwurfsumgebung MICADO durchgeführt. Als Ergebnis dieser Studien wurde beobachtet, dass ein größerer Flügel die Lautheit des Flugzeuglärms erhöht. Gleichzeitig wird die entsprechende Tonalität auf Grund reduzierter tonaler Ausgeprägtheit und verstärkter Abdeckungseffekte verringert. Es wurde ebenfalls bemerkt, dass ein größeres Triebwerk maßgeblich leiser ist als ein kleineres Triebwerk, allerdings mit einer wesentlich höheren Tonalität. Um die Optimierungsmöglichkeiten zu untersuchen, wurden optimierte Flugzeugentwürfe für die EPNL, Lautheit und Tonalität Metriken erzeugt. Die Ergebnisse zeigten, dass die EPNL- und Lautheit-optimierten Entwürfe den Lautheitsaspekt mittels eines größeren Triebwerks und eines kleineren Flügels erfassten aber den tonalen Anteil des Flugzeuglärms nicht hinreichend erfassten. Der Tonalität-optimierte Entwurf minimierte sehr effektiv die Tonalität des Flugzeuglärms durch eine Wahl eines kleineren Triebwecks und eines größeren Flügels. Eine Umsetzung des simulierten Flugzeuglärms in eine synthetisierte Audioaufnahme zeigte, dass die Reduzierung der tonalen Stärke des Tonalität-optimierten Flugzeugentwurfs hörbar wahrgenommen werden konnte. Die Intensität des fundamentalen Tons des Fans, welche an einem repräsentativen Ort am Boden für ein Standard Anflugverfahren erzeugt wurde, verringerte sich mit mehr als 10 dB in den Spektrogrammen. Die Resultate zeigen, dass es möglich ist den Klang der heutigen Flugzeuge in Richtung weniger Belästigung beziehungsweise höherer Akzeptanz hinsichtlich der Vorkenntnis welcher Parameter in welcher Art und Weise die Flugzeugklangqualität beeinflusst, zu modifizieren.

This dissertation focuses on the ‘annoyance’ aspect of aircraft noise and how it could be minimized during early aircraft design. The annoyance in this case corresponds to the acoustic annoyance, which is directly related to the quality of an aircraft sound. A new approach is followed rather than the current common practice of assessing aircraft noise solely via A-weighted level (dBA) or Effective Perceived Noise Level (EPNL) values during aircraft design optimization. Use is made of the advanced current knowledge on psychoacoustics to optimize aircraft designs for optimal sound quality. To consider aircraft noise impact during conceptual aircraft design, a detailed parametric aircraft noise simulation and assessment software INSTANT was developed during the course of this dissertation’s research. To determine the annoyance aspect, INSTANT was appended with a capability to assess aircraft noise in the psychoacoustics based sound quality metrics of loudness, tonality and sharpness. These metrics capture several characteristics of aircraft noise such as the intensity of overall noise and individual noise components, ratio of high frequency to low frequency content and the perceived unmasked prominence of tonal components. Design sensitivity studies were performed for a representative short-range commercial aircraft by integrating INSTANT into the aircraft design environment MICADO. It was observed that a larger wing can increase the loudness of aircraft noise and at the same time reduce the tonality, by reducing tonal prominence and increasing masking effects. It was also seen that a larger engine can be significantly quieter than a smaller engine, although with a much higher tonality. To explore the optimization possibilities, optimized designs for the EPNL, loudness and tonality metrics were produced. It was found that the minimal EPNL and minimal loudness designs captured the loudness aspect of aircraft noise, via a larger engine and a smaller wing, but didn’t sufficiently capture the tonal content. The minimal tonality design minimized the tonality very effectively by reducing the engine size and increasing the wing size. A conversion to synthesized audio of the simulated aircraft noise of the optimized aircraft designs showed that reductions in tonal intensity could be perceived audibly. The fundamental fan tone for the minimal tonality design was observed to have a reduced intensity in excess of 10 dB in the spectrograms, created at a sample ground location during a standard approach procedure. The results indicate that it is possible to modify the sounds of current aircraft towards less annoying or more acceptable sounds, by knowing beforehand which design parameter can change the aircraft sound quality in which way and form.

OpenAccess:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019134947

Interne Identnummern
RWTH-2016-07118
Datensatz-ID: 668901

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
415310

 Record created 2016-09-21, last modified 2023-04-08